油层物理第一章

油层物理第一章第一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三油层物理总学时：40讲课：40主讲人：闫文华单位：石油工程系渗流物理教研室第二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三不许迟到早退，有事拿正式假条请假，其它无效；提前五分钟到教室，凡迟到者，按旷课处理；请按时交作业，不交或迟交三次者不得参加考试；上课请注意听讲，有不明白的地方及时举手发问；请注意保持黑板及地面清洁；交作业时间为周四上课前；课堂纪律及要求第三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

油层物理是研究储层岩石、岩石中的流体（油、气、水）以及流体在岩石微小孔道中渗流机理的一门学科。

1.什么是油层物理油层是指储存原油的地层。它包括储存原油的岩石和岩石中的流体两部分。油藏：是指单一圈闭中具有同一压力系统的油的聚积。它可以看成是地下独立的储油容器，具有独立的水动力学系统。一个油藏可由一个或几个油层组成。油田：一般从行政管理角度定义，指同一范围内的油气藏总和。绪论一.油层物理的研究内容第四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.研究内容（2）储层流体的物理性质

研究存储在岩层孔隙中的油、气、水在高压下的物理性质；以及油、气、水的相态变化规律。（3）油藏岩石中多相流体的渗流特性

研究岩石孔隙内表面和油、气、水相互作用的物理和物理化学性质以及油、气、水沿极其微小的迂回孔道流动的基本渗流特性。如润湿性、吸附、毛管压力曲线、相对渗透率等。（4）提高原油采收率的方法

研究油气水和岩石的特性对原油采收率的影响，探讨降低油藏中残余油的各种途径和方法。如改型水驱、混相驱、热力采油等。（1）储层岩石的物理性质研究岩石的固体骨架性质。如粒度组成、比面，储液性、可渗性等等。第五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三1933年，美国人G.H.法奇等人首先进行了油层物理方面的研究，研究了流体性质和测试技术；1934年，R.D.乌索夫和M.马斯盖特等在达西定律基础上研究了测量岩样渗透率的方法；1935年，R.J.薛尔绍斯研究了井底取样器和测量样品物理性质的方法。测量项目包括：压力-体积-温度之间的关系，饱和度、饱和压力、油中的溶解气量、原油由于气体的分离而导致的伸缩等。二.油层物理的发展历史油层物理是随着油气田的开发和发展而形成并独立出来的一门学科。自1859年和1860年美国和俄国等主要产油国先后开始采油以来，油田开发和开采的历史有一百多年了。开始时人们对油层的认识很肤浅。到了30年代人们经过漫长的实践、摸索和研究，对油藏有了初步的认识，油层物理学开始有了很大的发展。第六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三在我国五十年代就有专门从事油层物理研究的专业技术人员，在原北京石油学院首次开设了油层物理课程，培养了相应研究生。60年代从采油工程中分离出来，大庆油田的开发使我国油层物理学科有了进一步发展。华东石油学院的张朝琛编写了《油层物理》一书，但没有正式出版。随着各类油田的开发与开采，油田的研究单位都相应地建立了有关油层物理的各类实验室，开展了油层物理各个领域的实验研究，同时也进行了各自油田的现场试验研究以及不同方法提高原油采收率的试验研究。1949年，美国的M.马斯盖特写了《采油物理原理》，汇总了当时油层物理技术，为该学科形成打下基础。50年代，前苏联莫斯科石油学院卡佳霍夫教授写了《油层物理基础》书，标志着这一学科的形成，并且从采油工程学科中分离出来。第七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三80年，华东石油学院，洪世铎《油藏物理基础》；84年，武汉地质学院，张博金《油气层物理学》；85年，成都地质学院，罗蛰潭《油层物理》；91年，西南石油学院，何更生《油层物理》；92年，我们学院根据大庆油田特点，编写了这本书。油层物理已成为我国石油工程专业中不可缺少的重要学科，随着石油工业的迅猛发展，它必将在我国油田开发和开采工作中起着越来越重要的作用。而且，随着深层油藏、碳酸盐油藏、低渗透油藏、稠油油藏以及凝析气藏等各类油（气）藏的开发，将不断给油层物理学科提出新的研究课题，经过不断努力，油层物理学科将不断完善和发展。第八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三三.油层物理课程的性质及与其它课的关系

油层物理学是高等石油院校石油工程专业、石油地质专业及油田化学等专业的一门重要专业基础课，它既要运用到许多基础理论，又在专业上有着广泛的实际应用。因此，学习这门课除了要具备数、理、化基础知识外，普通地质、岩石学、物理化学以及流体力学等都是学习油层物理应具备的基础。另一方面，在渗流力学、油藏数值模拟、油气田开发、采油工程、油田应用化学以及提高油气采收率技术、油层保护、现代试井等课程的许多方面，都要以它为基础进行广泛的论述和应用。此外，油层物理学又是一门建立在实验基础上的学科，其实践性很强。从事大量的实验研究，也是油层物理学研究的一大特点。第九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三四.参考书1.《油层物理》罗蛰潭主编地质出版社1985年；2.《油层物理》何更生编西南石油学院1991年；3.《油藏物理》洪世铎编石油工业出版社1985年；4.《油气层物理学》张博金编武汉地质学院1984年。第十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三课前用一定的时间预习；上课注意作笔记，特别注意教师对概念的解释；课后按时复习及做作业；认真上好实验课，做到理论与实验的结合；及时答疑，不要把问题积累在一起。五、本课程的学习方法.第十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三寄语

由于油层物理课的前后联系非常紧密，如果前面的内容掌握不好，对后续内容的理解就会产生不利的影响；而后面内容的学习，又会对前面内容的理解产生加深的作用。因此，希望同学们在前期努力学习，闯过了入门这一关，后面的学习就容易多了。祝愿同学们学习进步！第十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

第一章

储层岩石的物理性质储层岩石的粒度组成和比面储层岩石的孔隙结构及孔隙度储层岩石的渗透率渗透率和其它岩石物性关系储层的流体饱和度第十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第一节储层岩石粒度组成和比面岩石的粒度组成和比面是反映岩石骨架构成的最主要指标，也是划分储层、评价储层的重要物性参数。一、岩石的粒度组成

1、粒度、粒度组成粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒的含量，通常以百分数表示。粒度组成是储层岩石的一个重要特性。储层岩石的许多性质，如孔隙度、渗透率、密度、比面、表面性质等都与它有关，在地质上根据粒度组成可以判断地层沉积的地质和古地理条件。

2、分析方法定义：采用一定的机械的或物理的方法测定出岩石中不同大小颗粒的含量。第十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三岩石的粒度组成通常采用筛析法和水力沉降法来分析。

（1）筛析法：主要用于砂岩分析原理：用成套筛子对捣碎岩石颗粒进行筛析（适用于直径0.05mm以上的颗粒组分），按不同的粒级将它们分开。筛子的筛孔有两种表示方法：一种是以英制每英寸长度上筛孔数表示，称为目或号；另一种则是以毫米直径来表示筛孔孔眼的大小。此外，成套筛子的孔眼大小有一定的规定，例如，乡邻的两级筛孔孔眼大小可相差或的级差。

在实验室中进行筛析时，一般都采用细金属丝编成的标准筛进行。把选用的筛子按筛孔大小从大到小排列好，取处理好的砂子50g放入最上面的筛子中，开动振筛机振动15分钟。取下筛子，把每个筛子中的颗粒小心地倒到纸上，逐份称量，算出重量百分数和累积重量百分数。第十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（2）水力沉降法：主要用于粉沙岩和泥质粉沙岩分析原理：基于大小不同的颗粒在粘性液体中沉降速度不同进行分离的原理。第十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三颗粒直径大小可按照斯托克斯公式计算，即式中：d:颗粒直径，cm;g:重力加速度，981cm/s2

r:液体的运动粘度，cm2/s;ρs:颗粒密度，g/cm3；ρl:液体密度，g/cm3；v:颗粒的运动速度，cm/s。公式推导：设颗粒为球形，匀速下降，则受力平衡，合力为0。将以上各式代入G-F-f=0，则可导出斯托克斯公式。第十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三在推导该公式时，斯托克斯曾作了一些假设：①假设颗粒为球型；②颗粒在粘性和不可压缩液体中运动，十分缓慢；③颗粒坚硬，且表面光滑；④颗粒沉降以常速进行；⑤在运动着的颗粒与分散介质之间界面上，不发生滑动。虽然有这些假设，但该公式对实际应用来说，仍具有足够的精度。当颗粒直径为50～100μm时，有足够的精度。注意：筛析法和水力沉降法所求得的粒径并不是定值而是一个范围。平均粒径可用下式求得：式中：：颗粒的平均直径：分别为相邻的两层筛子的孔眼直径。第十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三3、粒度组成的表示方法（1）数字列表法第十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（2）作图法a.粒度组成分布曲线（1）曲线表示了各种粒径的颗粒所占的百分数，可用它来确定任一粒级在岩石中的含量；（2）曲线尖峰的位置表示含量最多的颗粒直径的大小；（3）曲线的尖峰越高颗粒分布越均匀，说明该岩石以某一粒径颗粒为主；（4）曲线尖峰越靠右，说明岩石颗粒越粗。b.粒度组成累积分布曲线一般储油砂岩颗粒的大小均在1～0.01mm之间。第二十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三4、粒度参数

(1)粒度中值(d50)：在累积分布曲线上相应累积重量百分数为50%的颗粒直径。(2)不均匀系数n：指累积分布曲线上某两个重量百分数所代表的颗粒直径之比值。常用累积重量60%的颗粒直径d60与累积重量10%的颗粒直径d10之比，即：S=1~1.5，分选好；S=2.5~4.5，分选中等；S＞4.5，分选差。a.欧美国家常以累积重量25%、50%、75%三个特征点，将累积曲线划分为四段，然后按特拉斯克方程求出分选系数，即：(3)分选系数：代表碎屑物质在沉积过程中的分选的好坏。即表示颗粒大小集中的程度。第二十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

b.由福克、沃德提出的用标准偏差的大小来划分岩石的分选性的等级。（4）偏度：又称歪度，指粒度组成分布偏于粗颗粒或细颗粒。福克、沃德参数是我国目前应用最广泛的粒度参数之一。第二十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

实际岩石样品Skp值在±1之间变化，正值表示曲线偏于粗颗粒为粗歪度；负值表示曲线偏于细颗粒为细歪度。对称，Skp=0粗偏度，Skp＞0细偏度，Skp＜0第二十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（5）峰态：量度粒度组成分布曲线陡峭程度。量度分布曲线的两个尾部颗粒直径的展幅与中央展幅的比值。（6）颗粒等效直径假想土壤模型：等径球形颗粒所组成的模型。

用假想土壤模型研究真实颗粒组成岩石时，用假想土壤模型的颗粒直径代替真实岩石的粒度组成后，假想土壤模型所产生的渗滤阻力与真实岩石所产生的阻力相同，满足于这样条件的假想土壤模型的颗粒直径就称为“颗粒等效直径”。第二十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三公式如下：其中，

def

：颗粒的等效直径；△gi：第i组分砂子的重量百分数；

di：表征第i组分的颗粒平均直径。第二十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第二十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三二、砂岩的比面1、比面的概念所谓比面是指单位体积岩石内岩石骨架的总表面积或单位体积岩石内总孔隙的内表面积。当颗粒是点接触时，即为所有颗粒的总表面积。数学表达式为：

式中—S:岩石比面，cm2/cm3,m2/m3等

A:岩石颗粒的总表面积或岩石孔隙的总表面剂，cm3

V:岩石外表体积（或视体积），cm3

岩石中的细颗粒越多，它的比面就越大，反之，就越小。也就是说，岩石比面越大，说明其骨架的分散程度越大，颗粒越细。

例如：由半径为R的等径圆球按立方体排列所组成的多孔介质，其比面应为显然，比面的大小取决于颗粒的直径，粒径越小比面越大，细粒物质的比面比粗粒物质的比面大得多。S=8×4πR2/(4R)3=π/2R。第二十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三除常以外表体积V定义外，还采用颗粒骨架体积Vs和孔隙体积Vp为基准的比面，即：式中：S:以岩石外表体积为基准的比面，cm2/cm3；Ss:以岩石骨架体积为基准的比面，cm2/cm3；Sp:以岩石孔隙体积为基准的比面，cm2/cm3；按以上三种不同体积定义的比面有如下关系：

此外，在有关比面的定义中，分母也有采用“单位重量”来定义比面的。如，对于砂岩按单位重量定义的比面为500～5000cm2/g对于页岩为100m2/g（1000000cm2/g）。

一般情况下，未加注明，岩石比面是指以岩石外表体积为基准的比面。2、比面的其它定义方法第二十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三3、研究比面的意义(2)和渗透率有关。S越大，K越小泥质砂岩、粉砂岩渗透率很低(3)和孔隙表面吸附量有关(4)和离子交换的能力有关(5)和束缚水含量有关(1)岩石分类和对比指标砂岩S<950cm2/cm3(粒径1~0.25mm)细砂岩950<S<2300cm2/cm3(粒径0.25~0.1mm)泥砂岩S>2300cm2/cm3(粒径0.1~0.01mm)第二十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三4、比面的测定方法第三十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

由岩石粒度组成资料估算比面

考虑问题的思路是：先从繁到简，首先假设所有的颗粒均为理想的圆球形，然后再接近实际情况，考虑颗粒形状不规则的情况。

第一步：假设单位体积球形颗粒组合中，有N个直径为d的颗粒，则每个球形颗粒的表面积为,体积为Vi：又设单位体积岩石孔隙总体积为φ，则该岩石中颗粒所占的体积Vs=1-φ，

则单位体积岩石颗粒的数量为：由此求出单位体积岩石颗粒的总表面积，即比面为：该法适用于胶结疏松或不含粘土颗粒的岩石。第三十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

第二步：由于实际岩心是由不同直径的球形颗粒组成，根据粒度组成的资料求比面。若单位体积岩石中颗粒组成为：粒径为d1者占G1%，粒径为d2者占G2%．．．．．．．．，粒径为dn者占Gn%则该岩石中，每种直径的岩石颗粒的总表面为：把所有颗粒表面积加起来即得到该颗粒组成的岩石比面为：（可用其求def）式中：di：第i组分的颗粒直径

di“,di“分别为乡邻两筛子的孔眼大小

Gi：第i组分的颗粒重量百分数φ：岩石的孔隙度，由实验方法测定。第三十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

第三步：由于岩石颗粒不完全为球形，为了近似的符合实际情况，引入一个颗粒形状校正系数C则C值由实验确定，通常C=1.2~1.4。对球度好的颗粒取用较小的C值；对带棱角而非常不圆的颗粒取较大的C值。第三十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三三.储层岩石的敏感性

近年来，随着对储层的进一步研究，在我国“油田开发管理纲要”及保护储层技术的研究中，都提出要对储层的各种敏感性进行评价。就是说，在一个油田投入开发之前，即打第一口探井时，就应通过取芯，除进行常规的孔、渗、饱、孔隙结构等研究外，还必须对岩心进行各种敏感性评价实验，以找出该储层当与外来施工流体接触时，可能潜在的危险及对储层可能造成伤害的程度。第三十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三(一）胶结物及胶结类型1.胶结物

储层岩石中的胶结物是除碎屑颗粒之外的化学沉淀物质，在砂岩中含量小于50%，它对岩石颗粒起胶结作用，使之变成坚硬的岩石。胶结物的存在使储层物性变差，随着胶结物成分变化与胶结物类型的不同对储层的影响也不同，使粒间孔隙可变为充填残留物的孔隙，使孔隙度变小。胶结物的成分可分为泥质、钙质（灰质）、硫酸盐、硅质和铁质。

泥质（小于0.01mm的碎屑）胶结比较疏松，并能形成一些充填内孔隙。灰质胶结主要是方解石和白云石，它常呈结晶状态，胶结致密。硅质胶结最致密，影响也最大。2.胶结类型

胶结物在岩石中的分布状况及与碎屑颗粒的接触关系称为胶结类型。它通常取决于胶结物的成分和含量的多少、生成条件以及沉积后的一系列变化等因素。第三十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三c.接触胶结

胶结物含量很少，一般小于5%，仅分布于颗粒相互接触的地方，颗粒呈点状或线状接触，胶结物多为原生或碎屑风华物质，最常见者为泥质。此种胶结的储油物性最好。大庆油田属于这种胶结。岩石孔隙度大于25%，渗透率从几十个毫达西到几个达西。a.基底胶结

胶结物含量最高。碎屑颗粒孤立地分布于胶结物之中，彼此不相接触或少有颗粒接触。由于胶结物与碎屑颗粒同时沉积，故称原生胶结，胶结强度很高。孔隙类型全为胶结物内的微孔，其储油、气物性很差。b.孔隙胶结

胶结物含量不多，充填于颗粒之间的孔隙中颗粒呈支架状接触。胶结物多是次生的，分布不均匀，多充填于大的孔隙中，胶结强度次于基底胶结。根据胶结强度不同，砂岩一般可分为强胶结、胶结和弱胶结或疏松等。胶结方式可分为：第三十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（二）胶结物中的各种敏感矿物

储层的敏感性主要受胶结物中的敏感性矿物影响，这些敏感性矿物从不同方面将影响岩石的骨架性质和岩心分析的正确性。第三十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

1.粘土遇水膨胀的特性

（1）粘土：直径小于0.01mm的颗粒占50%以上的细粒碎屑。它的成分包括粘土矿物和非粘土矿物，还有碱金属、碱土金属，铝和铁的氧化物等。粘土矿物是砂岩的主要胶结物。粘土矿物分为：高岭石型、蒙脱石型、水云母型、绿泥石型等。粘土结构：粘土矿物大都由两种基本晶格组成。一种是硅氧四面体，另一种是铝氧八面体。粘土的基本结构组成可简单划分为：粘土矿物晶片晶层单体平面延伸纵向重叠延伸+重叠（2）粘土遇水膨胀的机理a.这是由粘土矿物的特殊晶格结构所决定的。第三十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三硅氧四面体硅氧四面体晶片铝氧八面体铝氧八面体晶片

蒙脱石结构

高岭石结构第三十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三伊利石结构与蒙脱石相似，只是其晶层之间卡有钾原子，大小与晶层硅氧四面体的六角环内径接近，使晶层之间联结牢固，外来物质很难进入。

蒙脱石是由两个硅氧四面体晶片中间夹一个铝氧八面体晶片所组成的晶层。晶层之间由分之间力联接，因此，结构较弱，晶层之间距离较大（),外来物质很容易进入。当和水相遇时，水分之就容易进入蒙脱石之间，造成晶体膨胀。高岭石是一个硅氧四面体晶片和一个铝氧八面体晶片组成的晶层。晶层薄，层间距小（），两个晶层之间一面是氢氧原子，一面是氧原子，因而形成氢键，也就是说，相邻两晶层之间除范德华力外，还有氢键，结合力强，水分子不容易进入，膨胀性就小。第四十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三b.与晶层表面的带电性质有关

在蒙脱石的形成过程中，硅氧四面体中的Si4+经常被Al3+所置换,而铝氧八面体中的

Al3+常被Mg2+和Fe2+置换，以及晶层边角的“破键”和晶格缺陷使晶层带负电（粘土带负电），其结果：水为极性分子，在粘土表面受表静电引力而定向排列，浓集在颗粒表面。由于晶层带负电，而在表面吸附了Na+、Ca2+等阳离子，在水溶液中，晶层表面的离子解离，形成双电层，使双电层内的阳离子浓度高于介质中的浓度，使得水分子向晶层间扩散，形成水化层。高岭石中，硅和铝在形成过程中都没有被置换，因此，膨胀性就很小。粘土膨胀过程示意图膨胀前膨胀后扩散层吸附层粘土第四十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（3）粘土膨胀的危害

a.大幅度降低岩石的渗透率；

b.套管损坏、井底坍塌等；

c.粘土的吸附作用能使注入地层的化学剂作用降低甚至失效。a.离子交换法；b.增加电解质浓度；c.注酸性水；d.注粘土稳定剂。（4）防止粘土膨胀的措施（5）粘土的膨胀度它是指粘土膨胀的体积占原始体积的百分数，它是衡量粘土膨胀大小的指标。第四十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.石膏高温脱水特征为防止高温下石膏脱水带来的误差，在岩心分析过程中可采取两种方法：①用离心机冷洗岩心，即用离心机高速旋转下所产生的离心力，将岩心中的油、水甩出；②改用氯仿和甲醇配置的共沸液，其沸点为53.5℃，它远小于石膏的脱水温度，其沸液中甲醇和氯仿的重量百分比为13:87。106℃74℃81℃64℃第四十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三3.碳酸盐遇酸分解和酸敏矿物伤害地层（1）碳酸盐遇酸分解

砂岩储层碳酸盐含量很少或根本不含，而碳酸盐岩储层就全由碳酸盐类所组成，如石灰石（CaCO3)、白云石（CaMg(CO3)2）、钠盐（NaCO3）、钾盐（CaCO3）和菱铁矿都能与酸反应。它们的含量在各油田很不一致，就其在胶结物中的含量看，多从9.5%～21%，其含量的多少不仅影响到储层岩石的物性，而且直接决定着油井的增产措施，碳酸盐含量是评价储层性能的一个重要参数。第四十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三碳酸盐含量的测定多基于下述反应：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑实验测定中，碳酸盐含量是采用反应后CO2的体积或压力来计算。由于碳酸钙在岩石分布最广，可将全部碳酸盐含量换算为CaCO3的含量，根据反应后测出的CO2体积

,由下式求出：式中：C：岩样中CaCO3的含量，%；V：岩样与HCl反应后所得的CO2体积，cm3；

ρ：在实验温度及大气压下，CO2气体的密度，g/cm3；W：岩样总重，g。第四十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（2）酸敏矿物及特点能与酸反应的矿物并不都叫酸敏矿物，只有那些与酸反应后容易生成沉淀而阻塞孔道引起渗透率降低的那些矿物才叫酸敏矿物。如富铁绿泥石（FeO·Al2O3·SiO2·H2O）、黄铁矿（FeS2）、菱铁矿（FeCO3）等属酸敏矿物。酸化时，除粘土膨胀因素外，富铁绿泥石酸溶后当PH为5~6时，Fe2+呈胶体沉淀，伤害地层，其反应式为：3FeO·Al2O3·2SiO2·3H2O+6HCl=3FeCl2+2Al(OH)3+2SiO2·3H2O2FeCl2+3H2O+3O=2Fe(OH)3↓+2Cl2

Fe(OH)3是一种片状结晶，通常其体积比喉道还大，故可阻塞孔喉。预防措施：加铁的螯合剂和净氧剂。第四十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第四十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第二节储层岩石的孔隙结构及孔隙度

岩石中除有固体物质外，还有未被固体物质所占据的空间，称为孔隙或空隙。世界上没有孔隙的岩石是不存在的，只是不同的岩石，其孔隙大小、形状和发育程度不同而已。石油和天然气正是储存和流动于岩石的孔隙之中。因此，岩石孔隙的大小、形状、连通及发育程度就直接影响岩石中储集油气的数量和生产油气的能力，也是油层物理学最关心和研究最多的课题。第四十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三一、储层岩石的孔隙结构

研究岩石的孔隙结构，实质上是研究岩石的孔隙构成，它包括研究岩石的孔隙大小、形状、孔隙间连通情况、孔隙类型、孔壁粗糙程度等全部孔隙特征和它的构成方式。1.孔隙类型和组合关系组合关系：具有一种孔隙的介质称为单纯（单一）介质；孔隙、裂缝；具有两种孔隙的介质称为双重介质，孔隙—裂缝；具有多种孔隙的介质称为多重介质，孔隙—溶洞—裂缝。第四十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第五十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.孔隙简化模型（1）简化成等径球形颗粒的土壤模型（2）假想毛管模型等径毛管模型不等径毛管模型变径毛管模型（3）网状模型（4）概率模型第五十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三3.孔隙结构参数和孔隙大小分布表示法孔隙：一般将岩石颗粒包围着的较大空间称为孔隙；喉道：仅在两个颗粒之间连通的狭窄部分称为喉道；孔隙直径d：孔隙空间内任何一点的孔隙直径规定为在该点装得进去并且整个都在孔隙空间内的最大球形直径；喉道直径：指能通过孔隙喉道的最大球形直径；孔喉比：孔隙与喉道直径的比值；孔隙的配位数：每个孔道所连通的喉道数。如一个孔道与三个喉道相连，则配位数为3，一般砂岩的配位数为2～15之间或更多些；孔隙的迂曲度（λ）：用以描述孔隙弯曲程度的一个参数。是流体质点实际流经的路程长度和岩石外观长度之比值，可从1.2～2.5之间选用，一般无法直接测得。第五十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三孔隙大小分布表示方法

孔隙大小分布的表示方法与颗粒大小分布的表示方法相类似，即可表示为孔隙大小分布曲线和孔隙大小累积分布曲线。第五十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

a.分选系数b.偏度：又称歪度，指孔隙大小分布偏于粗可机孔径或细孔径。实际岩石样品Skp值在±1之间变化，正值表示曲线偏于粗孔径为粗歪度；负值表示曲线偏于细孔径为细歪度。c.峰态：量度粒度组成分布曲线陡峭程度。量度分布曲线的两个尾部颗粒直径的展幅与中央展幅的比值。第五十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三孔隙大小分布的测定方法：（1）半渗透隔板法（2）压汞法（3）离心机法（4）吸附法（5）岩石切片用显微镜统计测量（6）X射线散射法（7）图象分析法第五十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三4.孔隙分类（1）按大小可分为：a.超毛管孔隙：孔径>0.5mm或裂缝宽度>0.25mm，在此类孔隙中，流体在重力作用下可自由流动。岩石中的大裂缝、溶洞及未胶结或胶结疏松的砂层孔隙多属此类。b.毛细管孔隙：0.002mm<孔径<0.5mm，裂缝宽度介于0.25mm～0.0001mm之间。由于毛细管的作用，液体不能自由流动，必须有超过重力的外力去克服毛细管力，液体才能沿毛细管孔隙流动。一般砂岩孔隙属此类。c.微毛管孔隙：孔径<0.002mm或缝宽<0.0001mm，在此类孔隙中，分子间引力很大，要使流体在孔隙中移动，需要非常高的压力梯度，这在油层条件下一般无法达到。因此，实际上液体是不能沿微毛细管移动的。泥页岩中的孔隙一般属此类型。（2）按连通状况分（3）按流动情况分第五十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三二、岩石孔隙度的概念1.孔隙度的定义指岩石中孔隙体积Vp（或岩石中未被固体物质充填的空间体积）与岩石总体积Vb的比值。

储层的孔隙度越大，能容纳流体的数量就越多，储集性能就越好。

Vb=Vs+Vp第五十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.在油田开发中应用的孔隙度

（1）岩石的绝对孔隙度：岩石的总孔隙体积Va与外表体积Vb之比。（2）岩石的有效孔隙度：岩石的有效孔隙体积Va与外表体积Vb之比。

用于评价油层特性，计算储量及饱和度。第五十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三（3）岩石的流动孔隙度φf：指在含油岩石中，油能在其内流动的孔隙体积Vf与岩石外表体积Vb之比。

它不仅排除了死孔隙，亦排除了那些为毛管力所束缚的液体所占有的孔隙体积，还排除了岩石颗粒表面上液体薄膜的体积。流动孔隙度与地层中的压力梯度和流体的性质有关。流动孔隙度在数值上是不确定的，但在油田开发分析中，具有一定的实际价值。三者之间的关系：φa＞φe＞φf第五十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三3.孔隙度的数值砂岩储层φ：5～30％之间，一般10～20％。碳酸盐储层φ：一般小于5％。莱复生按孔隙度的大小，将砂岩储层分为五级：4.孔隙度的影响因素（1）颗粒的大小、形状、排列方式；（2）颗粒尺寸的非均匀性，分选性；（3）胶结物含量、胶结方式、压实程度；（4）岩性。（砂岩10～20%，碳酸盐岩<5%）第六十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三三、岩石孔隙度的测定方法常规岩心分析中，测定岩石孔隙度的各种方法均从孔隙度的定义出发，

只要测得其中得两个值，就可求出孔隙度φ。第六十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三四、储层岩石的压缩性1.岩石压缩系数

在油田开发前，地层中岩柱压力和油藏压力及岩石骨架所承受的压力处于平衡状态；投入开发后，随着油层中流体的采出，油层压力不断下降，平衡遭到破坏，使外压与内压的压差增大。此时，岩石颗粒挤压变形，排列更加紧密，从而孔隙体积缩小。开发前开发后pspfpfpsi第六十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三由于压力降低时，孔隙体积缩小，使油不断地从油层中流出，因此，从驱油角度讲，这是驱油的动力，它驱使地层岩石孔隙内的流体流向井底。岩石压缩系数的大小，表示了岩石弹性驱油能力的大小，也称为岩石弹性压缩系数。

所谓压缩系数是指油层压力每降低一个大气压时，单位体积岩石内孔隙体积的变化值。第六十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.综合弹性系数

虽然岩石的压缩系数很小，但考虑到还有流体的压缩系数，特别是当边水或底水区很大时，岩石的压缩系数使孔隙体积缩小，连同流体的压缩系数使流体发生膨胀两者的作用，就可以从地层中将大量的流体排到生产井中去。那么，当单位体积岩石发生单位压力降低时，由于岩石孔隙体积的缩小和孔隙中流体的膨胀，能采出多少油呢？C*物理意义：地层压力每降低一个大气压时，单位体积岩石中孔隙及流体总的体积变化。C*称为地层综合弹性压缩系数。第六十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第三节储层岩石的渗透率

储层岩石中绝大多数孔隙是相互连通的，因此，在一定压差作用下，它有允许流体通过的性质，这种性质称为岩石的渗透性。用以衡量流体渗过岩石能力大小的参数就是通常所说的渗透率。达西实验装置简图一、达西定律1.来源2.内容μQLP1P2ΔpA第六十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三达西定律：单位时间内，通过岩心的流体体积Q与岩心两端压差ΔP及岩心的横截面积A成正比；与岩心长度L及流体粘度μ成反比。

加一比例系数K，则K为岩石的绝对渗透率。改写为：第六十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.适用条件：（1）层流；（2）流体不与岩石任何物理或物理化学作用；（3）岩石孔隙被单相、均质、不可压缩流体所充满；（4）忽略重力及毛管力影响。3.重要性：（1）是多孔介质渗流的基础理论；（2）在不同的流动过程中有不同的解法；（3）可推广到多孔介质的多相流动。第六十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三在石油工业中，常用达西作为渗透率单位。达西：以粘度为1厘泊的流体完全饱和岩心孔隙，在1大气压的压差下以层流方式通过横截面积为1平方厘米，长为1厘米的岩样时，其流量为1cm3/s,则该岩石的渗透率即为1达西。（1）物理单位制（CGS）：（2）混合单位制：4.单位：第六十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三1atm=0.101325MPa=1.01325×105Pa1at=0.9869×105Pa当压力用标准大气压时，1D=0.9869×10-8cm2=0.9869μm2当压力用工程大气压时，1D=1.0197×10-8cm2=1.0197μm2在国际单位制中，渗透率单位用μm2，1D=1μm2第六十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第七十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三二、岩石渗透率的测定岩石的绝对渗透率是岩石本身所固有的性质，只取决于岩石的孔隙结构，而与所通过的流体性质及外界条件无关。1.气测渗透率气测渗透率的理论基础是达西定律。气体的体积随压力和温度变化而变化。在岩心沿长度L，每一断面的压力均不相同，因此，进入岩心的气体体积流量在岩心各点上是变化的，沿着压降方向不断膨胀、增大，所以应采用达西定律的微分形式：第七十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三如果把流动过程中气体膨胀看作是等温过程，那么，根据波义耳—马略特定律：则：Q0为大气压P0下的气体体积流量。所以：分离变量，两边积分，则：即为气测岩石渗透率的公式。第七十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三实验发现：（1）同一岩心，同一种气体，采用不同的平均压力所测得的渗透率不同；（2）同一岩心，不同气体，在同一平均压力下所测得的渗透率不同；（3）同一岩心，不同气体所测得的渗透率和平均压力的直线交纵轴于一点，该点的渗透率等效于液测渗透率，叫做等效液测渗透率，或克氏渗透率。H2HeCo2第七十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三2.气体的滑动效应我们来看一下液体和气体在毛管中是怎样流动的？第七十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第七十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三滑动效应：

气体在孔隙中流动时，不象液体那样呈层流状态，在管壁处的流速为零，气体在管壁处仍有流速的现象称为气体的滑动效应。滑动效应是克林肯伯格发现的所以也叫克氏效应。第七十六页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

早在1941年，克林肯伯格就给出了考虑气体滑动效应的气测渗透率数学表达式：

b：滑脱系数或滑脱因子，取决于气体性质和岩石孔隙结构。第七十七页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三3.滑脱现象校正方法（2）经验公式a.伊弗莱法

b.普塞尔法（1）实验测定时的校正（3）图版法第七十八页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三三、裂缝岩石的渗透率液体流经宽度不大的裂缝，流量为：裂缝的渗透率为：第七十九页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三四、影响岩石渗透率的因素

孔隙度的影响因素，如胶结物的含量、颗粒排列方式等对渗透率都有影响，除此之外，还有：（1）岩石颗粒大小（2）储层的方向性，岩石的渗透率时各向异性的。（3）岩石孔道的迂曲度和内壁粗糙度（4）粘土矿物产状（5）流体性质水敏现象：与地层不配伍的外来流体进入地层后，引起粘土膨胀、分散、运移、堵塞孔道，导致渗透率降低的现象。水敏指数：岩心在蒸馏水下的渗透率Kw与岩心的克氏渗透率K∞的比值，即Kw/K∞。第八十页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三第四节渗透率和其它岩石物性关系

储层岩石的孔隙度、渗透率、比面都是表示岩石渗流特性的参数，它们之间必然存在一定联系，但由于岩石孔道结构复杂多样，很难得出一个普遍性的定量关系。A真实岩石假想岩石LL第八十一页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三一、毛管渗流定律

从上述的毛管束模型中，任意取出一根长为L，内壁半径为r0的毛细管，其中有粘度为μ的流体，在压差为p1-p2的作用下做层流或粘滞性渗流。我们认为该液体可以润湿毛细管壁，则在管壁处的流速为零，在管中心处的流速最大。这种渗流可视为一组分别以不同速度运动的同心液筒，在液筒之间存在着粘滞力。P1P2ΔpLqr0r0rdrVr0=0V0=maxVr0=0dVμ第八十二页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三粘滞力的大小可由牛顿内摩擦定律表示，即：式中，F：粘滞力；A：同心液筒柱的表面积，A=2πrL；dv/dx：速度梯度。于是，作用于半径为r的液筒上的粘滞力则为：此时，作用在同一液筒上的驱动力则为：如果假设液流没有加速度，那么驱动力和粘滞力应相等。第八十三页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三分离变量，积分，得：

这就是半径r的液筒的运动速度公式，而且从公式可以看出，沿着半径方向速度分布规律为一抛物线。r0rdrVr0=0V0=maxVr0=0dV第八十四页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三

假设通过厚度为dr的单元液筒的体积流量为dq=vdA,这里的dA=2πrdr。那么，通过整根毛管的流量看成是若干个这样液筒的流量的叠加，即：积分，得：如果r0取任意值r，则:此即液体在毛管中做粘滞性渗流的“泊谡叶”定律。第八十五页，共一百零四页，编辑于2023年，星期三二、渗透率和孔隙半径的关系

设假想岩石中，单位面积内有n根半径为r的毛管，其余