第二章-岩石组成与岩石物理性质课件

一、岩石的结构

1、火成岩的结构，是由矿物晶体组成的，岩浆冷却结晶的时间越长，形成的晶体越大。

第二节岩石的结构特点及其对强度的影响第二章岩石组成与岩石物理性质一、岩石的结构第二节岩石的结构特点及其对强度的影响第二1

2、沉积岩的结构有两种:一是碎屑结构，二是结晶结构。碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质和硅质两种。结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的，晶体形成一种紧密排列结构，原生孔隙小，如岩盐，也可以成为生油、储油层，主要是油气层的很好的盖层。第二节岩石的结构特点及其对强度的影响2、沉积岩的结构第二节岩石的结构特点及其2

3、变质岩的结构，有片状结构和非片状结构两种。片状结构是在高温高压下，由重结晶作用和各种矿物的分离作用而造成的明暗矿物间互带。

第二节岩石的结构特点及其对强度的影响3、变质岩的结构，有片状结构和非片状结构两3二、岩石的强度岩石的强度主要取决于矿物强度、结构联结形式、岩石的结构和整个构造。对于火成岩、变质岩、化学沉积岩来说，化学结构连结起主要作用，因此，其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。对于碎屑沉积岩来说，其胶结物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的联结强度。不同胶结物的联结强度不同：硅质〉铁质＞钙质＞泥质。第二节岩石的结构特点及其对强度的影响二、岩石的强度第二节岩石的结构特点及其对4岩石的物理性质是指岩石的孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。在砂岩的扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在着流体流通的网络。岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固体矿物和流动的孔隙流体组成的多相体。

第三节岩石的物理性质

砂岩的扫描电子显微镜照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙

岩石的物理性质是指岩石的孔隙度、渗透率、可压5孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响。例如，岩石中孔隙体积增加1％，会导致岩石弹性参数变化10倍，或者更多,也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。岩石的物理性质与其力学性质密不可分，因此，研究岩石的物理性质是岩石力学研究的一个重要内容。孔隙流体的存在，对岩石性质有着极其重要的影响6SEDIMENTARYROCKSClasticsCarbonatesEvaporites一、岩石的孔隙度SEDIMENTARYROCKSClastics一、岩石7DEFINITIONS-SEDIMENTARYROCKSedimentaryRockClasticSedimentaryRocks(SuchasShale,Siltstone,andSandstone)ConsistofBrokenFragmentsofPre-ExistingRock(cf.Detrital)CarbonateSedimentaryRocks(andEvaporites)MayFormbyChemicalPrecipitationorOrganicActivityRockFormedfromtheWeatheredProductsofPre-ExistingRocksandTransportedbyWater,Wind,andGlaciers一、岩石的孔隙度DEFINITIONS-SEDIMENTARYROCK8CLASTICANDCARBONATEROCKSClasticRocksConsistPrimarilyofSilicateMineralsAreClassifiedontheBasisof:-GrainSize-MineralComposition

CarbonateRocksConsistPrimarilyofCarbonateMinerals(i.e.MineralsWithaCOAnionGroup)

-PredominatelyCalcite(Limestone)-PredominatelyDolomite(Dolomite

orDolostone)

3-2

ClassifiedbyGrainSizeandTexture一、岩石的孔隙度CLASTICANDCARBONATEROCKSCla9Grain-SizeClassificationforClasticSedimentsNameMillimetersMicrometersBoulderCobblePebbleGranuleVeryCoarseSandCoarseSandMediumSandFineSandVeryFineSandCoarseSiltMediumSiltFineSiltVeryFineSiltClay4,096256644210.50.250.1250.0620.0310.0160.0080.00450025012562311684(modifiedfromBlatt,1982)Commonly,phi-sizesareusedforsedimentanalysis一、岩石的孔隙度Grain-SizeClassificationfor10c.砂土的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类一、岩石的孔隙度c.砂土的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%11d.粉土的分类

粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％砂土的分类e.粘性土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP＞10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分土的名称粘土粉质粘土塑性指数注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得IP＞1710＜IP≤17一、岩石的孔隙度d.粉土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重12FrameworkMatrixCementPoresSand(andSilt)SizeDetritalGrainsSiltandClaySizeDetritalMaterialMaterialPrecipitatedPost-Depositionally,DuringBurial.CementsFillPoresandReplaceFrameworkGrainsVoidsAmongtheAboveComponentsFOURMAJORCOMPONENTSOFSANDSTONE碎屑一、岩石的孔隙度沉淀FrameworkMatrixCementPores13FOURCOMPONENTSOFSANDSTONEMATRIXFRAMEWORK(QUARTZ)FRAMEWORK(FELDSPAR)CEMENTPORENotedifferentuseof“matrix”bygeologistsandengineers0.25mmFrameworkMatrixCementPoresEngineering“matrix”Geologist’sClassificationFOURCOMPONENTSOFSANDSTONEMA14DUALPOROSITYINSANDSTONEMATRIXFRAMEWORK(QUARTZ)FRAMEWORK(FELDSPAR)CEMENTPORENotedifferentuseof“matrix”bygeologistsandengineers0.25mmSandstoneComp.FrameworkMatrixCementPoresDISSOLUTIONPOREFRACTUREPrimaryandsecondary“matrix”porositysystemFractureporositysystemDUALPOROSITYINSANDSTONEMATR15

一、岩石的孔隙度岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。岩石的总体积V总由基质的体积V基和孔隙体积V孔两部分组成，则岩石的孔隙度φ表示为：

φ=

上式中，φ值为无因次量，称为绝对孔隙度。一、岩石的孔隙度一、岩石的孔隙度一、岩石的孔隙度16在油田开发中，参与渗流的连通孔隙才是有效的，对于那些封闭孔隙，尽管其中有油气储存，但是很难开采出来，因此称为无效孔隙。这样就把孔隙度分为有效孔隙度和无效孔隙度两种。岩石的有效孔隙度，是指岩石中有效孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。有效孔隙体积是指参与渗流的连通孔隙体积，以φ有效、V连通分别表示岩石的有效孔隙度和连通孔隙体积，则：

Φ有效=一、岩石的孔隙度在油田开发中，参与渗流的连通孔隙才是有效的，对于17CUBICPACKINGOFSPHERESPorosity=48%一、岩石的孔隙度CUBICPACKINGOFSPHERESPorosi18RHOMBICPACKINGOFSPHERESPorosity=27%一、岩石的孔隙度RHOMBICPACKINGOFSPHERESPoro19PackingofTwoSizesofSpheresPorosity=14%一、岩石的孔隙度PackingofTwoSizesofSphere20

按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准为：φ<5％极差储层5％＜φ<10％差储层10％＜φ<20%良好储层φ>20％特好储层一、岩石的孔隙度按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准为：一21Grain-SizeSortinginSandstoneVeryWellSortedWellSortedModeratelySortedPoorlySortedVeryPoorlySortedSORTING一、岩石的孔隙度Grain-SizeSortinginSandston22SANDSTONECOMPOSITION,FrameworkGrainsNorphletSandstone,OffshoreAlabama,USAGrains~0.25mminDiameter/LengthPRFKFPKF=PotassiumFeldsparPRF=PlutonicRockFragmentP=PorePotassiumFeldsparisStainedYellowWithaChemicalDyePoresareImpregnatedWithBlue-DyedEpoxyKFQQQ=QuartzPhotobyR.KuglerPlutonicrockfragmentsarederivedfromigneousrocks,

suchasgranite.一、岩石的孔隙度SANDSTONECOMPOSITION,Framewor23POROSITYINSANDSTONEQuartzGrainPoreScanningElectronMicrographNorphletSandstone,OffshoreAlabama,USAPorosityinSandstoneTypicallyisLowerThanThatofIdealizedPackedSpheresOwingto:VariationinGrainSizeVariationinGrainShapeCementationMechanicalandChemicalCompactionPhotomicrographbyR.L.Kugler一、岩石的孔隙度压缩POROSITYINSANDSTONEQuartzGra24POROSITYINSANDSTONEScanningElectronMicrographTordilloSandstone,NeuquenBasin,ArgentinaPoreThroatsinSandstoneMayBeLinedWithAVarietyofCementMineralsThatAffectPetrophysicalPropertiesPhotomicrographbyR.L.Kugler一、岩石的孔隙度POROSITYINSANDSTONEScanning25POROSITYINSANDSTONEScanningElectronMicrographNorphletFormation,OffshoreAlabama,USAPoresProvidetheVolumetoStoreHydrocarbonsPoreThroatsRestrictFlowthroughporesPoreThroat一、岩石的孔隙度POROSITYINSANDSTONEScanning26ClayMineralsinSandstoneReservoirs,AuthigenicKaoliniteSecondaryElectronMicrographCarterSandstoneNorthBlowhornCreekOilUnitBlackWarriorBasin,Alabama,USASignificantPermeabilityReductionHighIrreducibleWaterSaturationMigrationofFinesProblem(PhotographbyR.L.Kugler)残余自生高岭土ClayMineralsinSandstoneRes27浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动

在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透

二、岩石的渗透性浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开28

在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。习惯上人们常常把那些在地层压力条件下流体比较容易地沿着连通的孔隙、喉道、裂缝、溶洞流动的岩石，例如砂岩、裂缝性碳酸盐岩称为渗透性岩石；而把流体难于在其中流动的岩石、粘土或页岩、石膏、岩盐等称为非渗透性岩石。但是这种提法是不严格的，因为一方面渗透是有条件的，另一方面同一种岩石的渗透能力也是不断变化的。

二、岩石的渗透性在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩29

最先研究岩石渗滤能力大小这一现象的是法国工程师达西。他利用人工砂体研究了水的渗滤。达西的实验表明人工砂体单位面积水流的体积变化率Q/A与进口和出口两个端面间的水头差ΔH成正比，而与砂体的长度成反比。即：二、岩石的渗透性最先研究岩石渗滤能力大小这一现象的是法国工程30一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

二、岩石的渗透性一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研31二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）

1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏二、岩石的渗透性二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土322.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象

土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏二、岩石的渗透性2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的33

后来的研究者发现，达西定律(Darcy’slaw)可以应用于其它流体，把上式中的比例常数k改写为k／μ、μ为流体的粘度,k为表征岩石性质的系数，即渗透率。后来经进一步修正，得到达西定律(Darcy’slaw)的通式为：二、岩石的渗透性后来的研究者发现，达西定律(Darcy’34

上式中：Q为通过孔隙介质的流量，厘米3／秒；A为流体通过的横断面积，厘米2；µ为流体的粘度，厘泊；k为岩石的渗透率，达西；dp/dx为单位长度上的压力降，大气压／厘米。

二、岩石的渗透性上式中：二、岩石的渗透性35

渗透率的单位是达西，它的物理意义是孔隙介质允许粘度为1厘泊的流体，在压力梯度为1大气压／厘米的作用下，通过截面面积为1厘米2的流量为1厘米3／秒，此时孔隙介质的渗透率称为1达西。

达西定律成立的前提条件是：(1)假设流体与岩石之间不发生物理化学反应；(2)渗滤介质中只存在一种流体。二、岩石的渗透性渗透率的单位是达西，它的物理意义是孔隙介质允36二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土二、岩石的渗透性二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速37

实际油藏大多是油水（或气），甚至是油、气、水三相共存于孔隙中。注水开发的油田，油水不仅是共存而且还同时流动。为了研究多相流体在岩石中的渗滤能力与性质，引入了绝对渗透率、有效渗透率和相对渗透率的概念。

二、岩石的渗透性实际油藏大多是油水（或气），甚至是油、气、水三38

有效渗透率Ke当岩石为两种或多种流体饱和时，岩石允许其中某种流体渗滤能力的大小。不论此时其流体流动与否。

相对渗透率Kr岩石的有效渗透率与绝对渗透率的比值。

绝对渗透率K岩石完全为某种流体所饱和时，岩石与流体之间不发生物理化学反应，在压力作用下岩石允许该种流体所通过能力的大小。（达西所描述的渗透率）二、岩石的渗透性有效渗透率Ke绝对渗透率K二39

储层岩石的孔隙空间中，总是会有油气水三相。在油层温度和压力下，岩石孔隙空间中的流体是按一定方式分布的。

储集层岩石的孔隙中，某种流体占据孔隙空间的体积百分数，称为该流体的饱和度。三、岩石中的油气水饱和度储层岩石的孔隙空间中，总是会有油气水三相。40

若储集层的孔隙中只含有油和水两相，油和水所占据的孔隙空间分别为Vo、Vw，岩石的孔隙度为φ，岩石中的孔隙总体积为Vp，岩石的总体积为Vb，则含油饱和度So和含水饱和度Sw分别为：S0=Sw=三、岩石中的油气水饱和度若储集层的孔隙中只含有油和水两相，油和水所占41

且有：So+Sw=1若储集层中，除含油和水外，还含有气体，则含气饱和度为：

Sg=

此时，油气水的饱和度应满足：

So＋Sw＋Sg＝1三、岩石中的油气水饱和度且有：So+Sw=1三、岩石中的油气水42

储层岩石中的含油饱和度和含水饱和度在油田的勘探开发过程中具有十分重要的作用，在油田的储量计算、油田动态分析、注水驱油效率的研究、油田剩余储量的利用以及提高最终采收率方面，它们都是不可缺少的参数。

三、岩石中的油气水饱和度储层岩石中的含油饱和度和含水饱和度在油田的勘43岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒含量，以百分数表示。粒度组成的通用分析方法是筛分析法。即采用孔径不同的一系列筛子将岩心颗粒按大小分成数组，然后称量每组的质量即可得到每个粒度范围内的质量百分比。筛孔的表示法通常是按每英寸长的孔数来表示的，称为目。对于粒度小于0.074-0.053mm的细粒，一般用沉降分析法确定。

四、岩石的粒度组成与比表面积岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒44筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数

四、岩石的粒度组成与比表面积筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事45比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量

四、岩石的粒度组成与比表面积比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒46颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）

四、岩石的粒度组成与比表面积颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐47颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度d10、d30、d60小于