油藏物理 第六章

1、油藏物理课程第二篇 储层岩石的物理特性第六章 储层岩石的流体渗透性 一、砂岩的粒度组成孔隙度(porosity)评价储层的储集性; 饱和度(saturation)评价储层中的含油气性如何描述岩石让流体通过的能力？Q与哪些因素有关？Q1、Q2哪个更大？问题液体渗流与气体渗流的异同？渗透率(permeability)表征岩石让流体通过的能力。它是油气田开发、油藏工程动态分析的关键储层物性参数LP1P2 Q1Q2AA第六章 储层岩石的流体渗透性 本章内容l 达西定律及岩石绝对渗透率l 气测渗透率及气体滑脱效应l 影响岩石渗透率的影响因素l 岩石绝对渗透率的实验室测定l 岩石绝对渗透率的估算第六章 储

2、层岩石的流体渗透性本节重点：l Darcy公式及其单位制体系l 绝对渗透率定义及测定条件l 气测渗透率实验流程及其计算公式l 分析气体滑脱效应对气测渗透率的影响及其修正方法本节难点：l 气测渗透率计算公式的推导l 分析气体滑脱效应对气测渗透率的影响及其修正方法第六章 储层岩石的流体渗透性达西定律描述流体在多孔介质中的宏观流动规律，是油气藏工程计算的核心定律1. Darcy实验及达西定律l装置：如图l条件：单相流l目的：考察影响流量的因素一、达西定律及岩石绝对渗透率Darcy通过实验发现：(1) 水通过等粒径填砂柱时，水流量Q：l 与砂柱截面积A成正比l 与砂柱两端进出口压差P成正比l 与砂柱长

3、度L成反比l 与流体粘度成反比(流体不同时)2) 改变填砂柱的粒径，则流体流量不 同，引入比例系数KLPAKQ建立Darcy定律LPAQ一、达西定律及岩石绝对渗透率达西定律l 单位时间内流体通过多孔介质的流量Q与加在多孔介质两端的压力差P和介质的截面积A成正比，与多孔介质长度L和流体粘度成反比l 当其他条件相同时，粒径不同其流量也不同PALQK比例系数，达西(D)，称其为多孔介质的渗透率只与多孔介质结构有关，而与流体性质无关K 大Q 大，岩石允许流体通过的能力大 K 可定量评价岩石渗透性的大小一、达西定律及岩石绝对渗透率LPAKQ一、达西定律及岩石绝对渗透率注意：l 矿场用混合单位制，即：p

4、用atm，不用MPa(1atm0.0981MPa0.1MPa)（混合制）l Darcy定律是流体渗流的基本定律l Darcy定律对单相和多相渗流都适用l Darcy定律适用于松散砂柱、胶结砂岩及其它多孔介质中流体渗流l 公式中系数K 只与多孔介质结构有关，而与流体性质无关，称其为多孔介质的渗透率LpAKQl Darcy定律的前提是假定： 1）流体和岩石之间不发生物理一化学反应； 2）岩石孔隙中只存在一种流体。l 在对一个区域或油层来评价渗透率时，不能仅仅考虑在一个点上所得的渗透率，因为岩石的渗透率还与水的流动方向、沉积特征以及岩性等有关。l 渗透率具有方向性。垂直方向和水平方向的渗透率也由于颗

5、粒填集方式而不相同。 一、达西定律及岩石绝对渗透率2.岩石绝对渗透率K(permeability)不与岩石发生任何物理化学反应的不可压缩流体，100%饱和岩心后，在线性渗流条件下测得的岩石渗透率为岩石的绝对渗透率PALQK注意单位(1) 岩石绝对渗透率K 的单位l 岩石K 法定计量单位：D（达西）l 矿场常用mD（毫达西），1D1000mD储层岩石的渗透率一般为51000mD问题： K与Q 、P、A、L、是否有关？一、达西定律及岩石绝对渗透率K 与与Q 成线性：成线性：K 大大Q 大，岩石允许流体通过大，岩石允许流体通过的能力大；的能力大；K 可定量评价岩石可定量评价岩石渗透性渗透性的大小。的

6、大小。(2)1D的物理意义在长度L1cm，截面积A1 cm2 的岩心中，粘度为1cP 的流体在1atm的压差下流过岩心流量Q1 cm3/s 时，称岩石渗透率为1D（达西）1D1m2，岩石K 具“面积”因次PALQK2282823m1cm10cm1002. 1atm1cm1cm1cP1/s)cm1 (D13. 使用达西定律的流速条件渗流速度：由达西方程 dLdPKLPKAQvv为达西速度或渗流速度，是假设过水断面处处有流体通过时的平均速度，单位cm/s真实速度： vw vw 据P 与Q 为线性关系Darcy定律是线性渗流LpAKQ3. 使用达西定律的流速条件图中PPmax时QP为非线性，不满足D

7、arcy公式的比例关系使用条件：流体为线性渗流，其渗流速度临界流速vc线性渗流的判断方法l 作图法：QP为过原点直线，则为线性流l 雷诺数Re 法l 据卡佳霍夫公式：u一般砂岩储层的临界Rec 为0.20.3u实际ReRec，则为线性流动（层流） 2/35 .17KvRe1、岩石绝对渗透率的测定条件 不与岩石发生任何物理化学反应的不可压缩流体，100%饱和岩心后，在线性渗流条件下测得的岩石渗透率为岩石的绝对渗透率l 流体与岩石性质稳定，不发生任何物理化学反应；l 单相不可压缩流体稳定渗流；l 流量与压差之间成线性关系（保持线性渗流）岩石的绝对渗透率是岩石的固有性质，与测定条件无关只有严格满足上

8、述三个条件测得渗透率才为岩石绝对渗透率注意：理论上：油、气、水都可作K 的测定流体实际上：除线性流动条件外，其它条件在实验室条件下难以严格满足。例如：l 油测时，物理吸附孔隙表面形成油膜孔隙空间岩石Kl 水测时，水敏性矿物膨胀岩石K；l 气测时，气体膨胀、流量变化Darcy公式不能用 气体滑脱效应岩石K 据Darcy公式用任何流体测定岩石K都存在误差2、 岩石绝对渗透率的测定方法方法：行业标准规定使用气体测量岩石K，即： 低压下用干燥空气或氮气通过岩心，测定K原因：l 气体性质较稳定，不易变化l 不与岩石表面作用而改变孔隙大小l 气体测岩石K 的误差容易校正 气体膨胀流量不稳定校正 气体分子扩

9、散气体滑脱效应校正3. 气测渗透率的计算公式流量不稳定校正分析：在等温条件下，气体通过岩心：沿压降方向（岩心长度）发生膨胀；气体体积流量Q 在各断面处不等，但每一断面上的流量符合Darcy定律；气体因P 而膨胀引起的流量变化由状态方程求出（等温过程）(1) 气测K 公式推导 假设气体粘度、岩心长度为L，截面积A，岩心两端压力P1、P2 设在微单元dL 上，气体具稳定的体积流量。在dL 上用Darcy公式的微分式（混合单位制）：dLdpKAQdLdpAQK/ 沿岩心长度方向，气体发成恒质量等温膨胀，据波-马定律（PV常数）：常数PQQP00 式中：Q 岩心某断面处的气体体积流量 Q0大气压p0

10、下的体积流量PQPQ00常数PVVPVPVP002211 将式带入微分Darcy公式：PdPdLAPQK00分离变量、积分:LppdLAPQKPdP00021得气测K 公式：)(2222100PPALPQKa（混合单位制）式中：Ka气测岩石绝对渗透率，m2 P1、P2岩心进、出口端压力，atm P0大气压力，atm Q0大气压p0 下的体积流量，cm3/sLPPdLAPQKPdP00021气测岩石Ka 与液测KL 公式比较：)()(2212100PPLPPAPQKaPPPKa12/ )(1214. 气测岩石渗透率的结果分析)(2222100PPALPQKa2/ )(21PPP平均压力结果：l

11、同种气体，不同平均压力 测得的Ka 不同l 相同平均压力 ，不同气体测得的Ka 不同结论：l Ka 随测定条件变化l Ka 与K 间还存在偏差原因：气体滑脱效应5. 气体滑脱效应在单根毛管渗流模型中：l 液体： 流速断面呈圆锥曲线：l 气体： 流速断面呈近直线分布：-从孔中心孔壁v 液-孔壁处v 液0-孔壁处v 气0滑脱效应：低压气体渗流时，其流速在毛孔断面上的分布偏离粘性流体流动特性，出现气体分子在管壁处速度不等于0 的流动现象l 产生滑脱现象的原因u 液体在毛管中流动特性：粘滞流动 粘性流体分子间存在粘滞阻力，F液-管壁F液-液 阻力：中心最小，管壁最大 流速：中心最大，管壁最小0(管壁上

12、液体分子被粘住表现为v0)u 低压下,气体在毛管中流动特性：碰撞运动为主。 分子间距大，Fg-g、Fg-s小粘滞阻力小 分子碰撞动量交换管壁处分子不会粘在管壁上，仍处于运动状态；断面上气体分子间流速差消失，出现滑动效应（v0）l 滑脱现象对气测Ka 的影响u滑脱现象管壁处气体分子参与流动 与液测相比，相当于增大了孔道流动空间u吸附作用管壁处液体分子形成液膜不流动 减小了孔道流动空间u液测KL气测Ka 对同一岩石有：气测Ka液测KLl 等效液体渗透率当 ， ，气体分子间距 ，气体性质越接近液体性质根据Ka与 直线关系，Klinkenberg提出：)1(PbKKa当 时，Ka常数K（在数值上，K岩

13、石K）K称等效液体渗透率或克氏渗透率b 滑脱系数；与气体性质、孔隙结构有关l 滑脱现象的影响因素)/1 (pbKKarpCb/4r毛管半径；C1；d 分子直径； 为平均压力下分子平均自由程 n分子密度(与平均压力有关)2/(12nd平均压力越低，气体分子量越小，岩石孔隙越小，气测渗透率的滑脱效应越严重（b越大），Ka 越大6. 气测渗透率Ka 的实验校正(同一气体对同一岩心)步骤l 测定5 组以上不同平均压力下的流量Q 及岩心进、出口压力P1、P2数据点；l 用气测渗透率公式计算不同平均压力下的Ka；l 绘制Ka 平均压力直线l 将直线外推至Ka 轴，截距即为K结果)1 (PbKKa原理PAL

14、QKL1. 储层岩石骨架构成及构造力的影响(1) 岩石骨架构成（微观因素）l 颗粒：组成和结构（大小、分选、排列等）l 胶结物：含量、胶结类型等 骨架结构决定岩石、S 大小 影响岩石K颗粒越粗，分选越好，胶结物含量越少，渗透率越高(2) 构造力(宏观因素)l 不同层理，渗透性不同l 同一层理，不同方向渗透性不同(顺和垂直水流)u骨架结构从微观上决定了储层渗透率的大小u沉积构造在宏观上决定了储层渗透率的方向性 2. 储层孔隙结构的影响l Kl 孔隙越大K 越大l 孔道越弯曲K 越小l 孔隙连通度越低K 越小l 孔喉比越大K 越小孔隙结构是影响岩石K的微观因素孔隙度是影响K的宏观因素，是微观在宏观

15、的表现3. 地静压力和地层温度地静压力和地层温度对岩石K 的影响具有互补关系：l 地静压力岩石Kl 地温减小地静压力降低K 的作用 （T岩石骨架、流体膨胀）1、常规小岩心测定 适用：一般砂岩储集层岩心 原理：Darcy定律610TALBK第四节 岩石渗透率的测定与计算室内测定岩石渗透率2、全直径岩心测定适用：含有较大的溶孔、溶洞、裂缝等非均质较强的砂、砾岩储层岩样内容：a）水平K 测定；b）垂直K 测定；c）径向K 测定设备：全直径岩心夹持器原理：Darcy定律(1)垂直渗透率测定(vertical)同常规小岩心测定 流体沿着垂直岩石层面方向线性流动时，测得的渗透率(2)水平渗透率测定(hor

16、izontal)流体沿着平行岩石层面方向线性流动时，测得的渗透率装置计算公式)(2222100ppLpQEKa（混合单位）E 为形状系数，取决于滤网分配气体的弓形角；三、岩石渗透率的实验室测定(3)径向渗透率测定(radial)流体在岩心中呈径向线性流动时，测得的渗透率装置计算公式（混合单位）)()/ln(2221200PPhddpQKwede岩样外径dw 及孔眼内径P1进口压力P2 出口压力测定关键在岩心正中心钻一小孔，使流体在岩心中呈径向流动三、岩石渗透率的实验室测定n 利用测井资料估算渗透率 bwiaScKl 按照平均孔隙半径和孔隙 度计算渗透率 228rK用岩样孔隙数据估算(基于等效渗

17、流阻力原理)等效渗流阻力原理：两种岩石在其它条件相同时，若渗流阻力相等，则通过岩石的流量也相等思路：基于等效渗流阻力原理，即：第四节 岩石渗透率的测定与计算公式推导：u岩石中流体渗流的达西公式：u毛管束模型：单位截面积中有n根等径毛管，其它几何尺寸、流体性质、压差与真实岩石同，据毛管渗流的泊稷叶（poiseuille）公式，得毛管束模型渗流时的流量LpAKQLprnAQ84据孔隙度定义：将代入则得岩石K 估算公式：228rK 据等效渗流阻力原理：=LprnALpKA8422rnALLrnA1、算术平均(arithmetic average) nnii1式中：n 为数据点数； i 为数据点的孔隙

18、度； Ki 为数据点的渗透率。nKKnii1适用范围：求单井、单层岩石参数平均值储层岩石物性参数平均值处理方法主要有算术平均、加权平均和按物理过程平均三种2、加权平均(weighted average)(1)常规加权iiihhKKiiiAAKKiiiiihAhAKK方法公式适用对象厚度加权（垂向）求单井、小层、油层的物性参数平均值。面积加权（平面）求小层、油层的物性参数平均值。体积加权（空间）求油层组的物性参数平均值，动态研究中常用。第五节 储层岩石参数的平均值处理方法(2)特殊平均方法nKKKKn/ )loglog(loglog21对数平均：nKKKKn11121倒数平均：)/(iiiKhh

19、K调和平均：nnKKKK21几何平均：Kv平均值与垂向上K的平均值是两个不同的概念3、按物理过程平均（常用于求组合层的岩石参数平均值） 该方法按动态流动过程求参数的平均值，按流动层段组合方式，可分为两种类型： 串联组合层（按物理过程平均）l组合层线性流动l组合层径向流动 并联组合层： 组合层线性流动(加权平均)油层中的小层合并并联地层（多层纵向不均匀）的总渗透率直线渗流niiniiihhKhhhhKhKhKK113213322113、按物理过程平均（常用于求组合层的岩石参数平均值）并联地层（多层纵向不均匀）的总渗透率平面径向渗流niiniiihhKhhhhKhKhKK11321332211332211321KLKLKLLLLK串联地层（多层纵向不均匀）的总渗透率直线渗流2312211111RRlKRRlKRRlKRRlKewwennnnniiiiweRRlKRRl111nn平面径向渗流第六节第六节 毛管渗流模型及其应用毛管渗流模型及其应用毛细管束模型：等值渗流阻力原理：如果两种岩石之间的外部形状和几何尺寸以及流体性质和外加压差相同时，若假想岩石与真实岩石的