《油藏物理》課程油藏物理《油藏物理》課程油藏物理第二篇儲(chǔ)層巖石的物理特性第二篇儲(chǔ)層巖石的物理特性油藏物理-第六章ppt課件第六章

儲(chǔ)層巖石的流體滲透性

第六章儲(chǔ)層巖石的流體滲透性一、砂巖的粒度組成一、砂巖的粒度組成孔隙度(porosity)評價(jià)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性;飽和度(saturation)評價(jià)儲(chǔ)層中的含油氣性如何描述巖石讓流體通過的能力？Q與哪些因素有關(guān)？Q1、Q2哪個(gè)更大？問題液體滲流與氣體滲流的異同？滲透率(permeability)表征巖石讓流體通過的能力。它是油氣田開發(fā)、油藏工程動(dòng)態(tài)分析的關(guān)鍵儲(chǔ)層物性參數(shù)LP1P2Q1Q2AA第六章

儲(chǔ)層巖石的流體滲透性

孔隙度(porosity)評價(jià)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性;如何描述巖石讓本章內(nèi)容達(dá)西定律及巖石絕對滲透率氣測滲透率及氣體滑脫效應(yīng)影響巖石滲透率的影響因素巖石絕對滲透率的實(shí)驗(yàn)室測定巖石絕對滲透率的估算第六章儲(chǔ)層巖石的流體滲透性本章內(nèi)容第六章儲(chǔ)層巖石的流體滲透性本節(jié)重點(diǎn)：Darcy公式及其單位制體系絕對滲透率定義及測定條件氣測滲透率實(shí)驗(yàn)流程及其計(jì)算公式分析氣體滑脫效應(yīng)對氣測滲透率的影響及其修正方法本節(jié)難點(diǎn)：氣測滲透率計(jì)算公式的推導(dǎo)分析氣體滑脫效應(yīng)對氣測滲透率的影響及其修正方法第六章儲(chǔ)層巖石的流體滲透性本節(jié)重點(diǎn)：第六章儲(chǔ)層巖石的流體滲透性達(dá)西定律描述流體在多孔介質(zhì)中的宏觀流動(dòng)規(guī)律，是油氣藏工程計(jì)算的核心定律1.Darcy實(shí)驗(yàn)及達(dá)西定律裝置：如圖條件：單相流目的：考察影響流量的因素一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率達(dá)西定律描述流體在多孔介質(zhì)中的宏觀流動(dòng)規(guī)律，是油氣藏工程計(jì)算Darcy通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)水通過等粒徑填砂柱時(shí)，水流量Q：與砂柱截面積A成正比與砂柱兩端進(jìn)出口壓差△P成正比與砂柱長度L成反比與流體粘度μ成反比(流體不同時(shí))(2)改變填砂柱的粒徑，則流體流量不

同，引入比例系數(shù)K建立Darcy定律一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率Darcy通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(2)改變填砂柱的粒徑，則流體流達(dá)西定律單位時(shí)間內(nèi)流體通過多孔介質(zhì)的流量Q與加在多孔介質(zhì)兩端的壓力差△P和介質(zhì)的截面積A成正比，與多孔介質(zhì)長度L和流體粘度μ成反比當(dāng)其他條件相同時(shí)，粒徑不同其流量也不同比例系數(shù)，達(dá)西(D)，稱其為多孔介質(zhì)的滲透率只與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體性質(zhì)無關(guān)K大→Q大，巖石允許流體通過的能力大

K可定量評價(jià)巖石滲透性的大小一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率達(dá)西定律單位時(shí)間內(nèi)流體通過多孔介質(zhì)的流量Q與加在多孔介質(zhì)兩端一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率注意：礦場用混合單位制，即：△p用atm，不用MPa(1atm＝0.0981MPa≈0.1MPa)（混合制）Darcy定律是流體滲流的基本定律Darcy定律對單相和多相滲流都適用Darcy定律適用于松散砂柱、膠結(jié)砂巖及其它多孔介質(zhì)中流體滲流公式中系數(shù)K

只與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體性質(zhì)無關(guān)，稱其為多孔介質(zhì)的滲透率一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率注意：Darcy定律是流體滲流的

Darcy定律的前提是假定：

1）流體和巖石之間不發(fā)生物理一化學(xué)反應(yīng)；

2）巖石孔隙中只存在一種流體。在對一個(gè)區(qū)域或油層來評價(jià)滲透率時(shí)，不能僅僅考慮在一個(gè)點(diǎn)上所得的滲透率，因?yàn)閹r石的滲透率還與水的流動(dòng)方向、沉積特征以及巖性等有關(guān)。滲透率具有方向性。垂直方向和水平方向的滲透率也由于顆粒填集方式而不相同。一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率Darcy定律的前提是假定：一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率2.巖石絕對滲透率K(permeability)不與巖石發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng)的不可壓縮流體，100%飽和巖心后，在線性滲流條件下測得的巖石滲透率為巖石的絕對滲透率注意單位(1)巖石絕對滲透率K的單位巖石K法定計(jì)量單位：D（達(dá)西）礦場常用mD（毫達(dá)西），1D＝1000mD★儲(chǔ)層巖石的滲透率一般為5～1000mD問題：K與Q、△P、A、L、μ是否有關(guān)？一、達(dá)西定律及巖石絕對滲透率→K與Q成線性：K大→Q大，巖石允許流體通過的能力大；→K可定量評價(jià)巖石滲透性的大小。2.巖石絕對滲透率K(permeability)注意單位(1(2)1D的物理意義在長度L＝1cm，截面積A＝1cm2

的巖心中，粘度為1cP的流體在1atm的壓差下流過巖心流量Q＝1cm3/s時(shí)，稱巖石滲透率為1D（達(dá)西）1D＝1μm2，巖石K具“面積”因次(2)1D的物理意義1D＝1μm2，巖石K具“面積”因次3.使用達(dá)西定律的流速條件滲流速度：由達(dá)西方程v為達(dá)西速度或滲流速度，是假設(shè)過水?dāng)嗝嫣幪幱辛黧w通過時(shí)的平均速度，單位cm/s真實(shí)速度：3.使用達(dá)西定律的流速條件v為達(dá)西速度或滲流速度，是假設(shè)過據(jù)→△P與Q為線性關(guān)系→Darcy定律是線性滲流3.使用達(dá)西定律的流速條件圖中△P＞△Pmax時(shí)→Q～△P為非線性，不滿足Darcy公式的比例關(guān)系據(jù)→△P與Q為線性關(guān)系3.使用達(dá)西定律的流速條件圖中△使用條件：流體為線性滲流，其滲流速度＜臨界流速vc＜線性滲流的判斷方法＞

作圖法：Q—△P為過原點(diǎn)直線，則為線性流雷諾數(shù)Re法據(jù)卡佳霍夫公式：一般砂巖儲(chǔ)層的臨界Rec為0.2－0.3實(shí)際Re＜Rec，則為線性流動(dòng)（層流）使用條件：一般砂巖儲(chǔ)層的臨界Rec為0.2－0.31、巖石絕對滲透率的測定條件

不與巖石發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng)的不可壓縮流體，100%飽和巖心后，在線性滲流條件下測得的巖石滲透率為巖石的絕對滲透率流體與巖石性質(zhì)穩(wěn)定，不發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng)；單相不可壓縮流體穩(wěn)定滲流；流量與壓差之間成線性關(guān)系（保持線性滲流）巖石的絕對滲透率是巖石的固有性質(zhì)，與測定條件無關(guān)只有嚴(yán)格滿足上述三個(gè)條件測得滲透率才為巖石絕對滲透率二、巖石絕對滲透率的測定原理1、巖石絕對滲透率的測定條件巖石的絕對滲透率是巖石的固有性質(zhì)注意：理論上：油、氣、水都可作K的測定流體實(shí)際上：除線性流動(dòng)條件外，其它條件在實(shí)驗(yàn)室條件下難以嚴(yán)格滿足。例如：油測時(shí)，物理吸附→孔隙表面形成油膜→孔隙空間↓→巖石K↓水測時(shí)，水敏性礦物膨脹→巖石K↓；氣測時(shí)，氣體膨脹、流量變化→Darcy公式不能用氣體滑脫效應(yīng)→巖石K↑

據(jù)Darcy公式用任何流體測定巖石K都存在誤差二、巖石絕對滲透率的測定原理注意：二、巖石絕對滲透率的測定原理2、巖石絕對滲透率的測定方法方法：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用氣體測量巖石K，即：低壓下用干燥空氣或氮?dú)馔ㄟ^巖心，測定K原因：氣體性質(zhì)較穩(wěn)定，不易變化不與巖石表面作用而改變孔隙大小氣體測巖石K

的誤差容易校正氣體膨脹→流量不穩(wěn)定校正氣體分子擴(kuò)散→氣體滑脫效應(yīng)校正二、巖石絕對滲透率的測定原理2、巖石絕對滲透率的測定方法二、巖石絕對滲透率的測定原理3.氣測滲透率的計(jì)算公式——流量不穩(wěn)定校正二、巖石絕對滲透率的測定原理3.氣測滲透率的計(jì)算公式——流量不穩(wěn)定校正二、巖石絕對滲透分析：在等溫條件下，氣體通過巖心：→沿壓降方向（巖心長度）發(fā)生膨脹；→氣體體積流量Q在各斷面處不等，但每一斷面上的流量符合Darcy定律；→氣體因P而膨脹引起的流量變化由狀態(tài)方程求出（等溫過程）分析：在等溫條件下，氣體通過巖心：→氣體體積流量Q在各斷面(1)氣測K公式推導(dǎo)假設(shè)氣體粘度μ、巖心長度為L，截面積A，巖心兩端壓力P1、P2

3、氣測滲透率的計(jì)算公式①設(shè)在微單元dL上，氣體具穩(wěn)定的體積流量。在dL上用Darcy公式的微分式（混合單位制）：<1>(1)氣測K公式推導(dǎo)3、氣測滲透率的計(jì)算公式①設(shè)在微單②沿巖心長度方向，氣體發(fā)成恒質(zhì)量等溫膨脹，據(jù)波-馬定律（PV＝常數(shù)）：3、氣測滲透率的計(jì)算公式<2>式中：Q巖心某斷面處的氣體體積流量Q0大氣壓p0下的體積流量②沿巖心長度方向，氣體發(fā)成恒質(zhì)量等溫膨脹，3、氣測滲透率的③將<2>式帶入<1>微分Darcy公式：3、氣測滲透率的計(jì)算公式分離變量、積分:③將<2>式帶入<1>微分Darcy公式：3、氣測滲透率的得氣測K公式：（混合單位制）式中：Ka—?dú)鉁y巖石絕對滲透率，μm2P1、P2—巖心進(jìn)、出口端壓力，atmP0—大氣壓力，atmQ0—大氣壓p0

下的體積流量，cm3/s得氣測K公式：（混合單位制）式中：Ka—?dú)鉁y巖石絕對滲透率氣測巖石Ka

與液測KL

公式比較：氣測巖石Ka與液測KL公式比較：4.氣測巖石滲透率的結(jié)果分析平均壓力4.氣測巖石滲透率的結(jié)果分析平均壓力結(jié)果：同種氣體，不同平均壓力

→測得的Ka

不同相同平均壓力

，不同氣體→測得的Ka

不同結(jié)論：Ka

隨測定條件變化Ka

與K間還存在偏差原因：氣體滑脫效應(yīng)結(jié)果：5.氣體滑脫效應(yīng)在單根毛管滲流模型中：液體：

流速斷面呈圓錐曲線：氣體：

流速斷面呈近直線分布：-從孔中心→孔壁v液↓-孔壁處v液＝0-孔壁處v氣≠0滑脫效應(yīng)：低壓氣體滲流時(shí)，其流速在毛孔斷面上的分布偏離粘性流體流動(dòng)特性，出現(xiàn)氣體分子在管壁處速度不等于0的流動(dòng)現(xiàn)象5.氣體滑脫效應(yīng)在單根毛管滲流模型中：氣體：-從孔中心→孔產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象的原因液體在毛管中流動(dòng)特性：粘滯流動(dòng)粘性流體分子間存在粘滯阻力，F(xiàn)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?。?(管壁上液體分子被粘住表現(xiàn)為v＝0)低壓下,氣體在毛管中流動(dòng)特性：碰撞運(yùn)動(dòng)為主。分子間距大，F(xiàn)g-g、Fg-s小→粘滯阻力小分子碰撞→動(dòng)量交換→管壁處分子不會(huì)粘在管壁上，仍處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；→斷面上氣體分子間流速差消失，出現(xiàn)滑動(dòng)效應(yīng)（v≠0）產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象的原因(管壁上液體分子被粘住表現(xiàn)為v＝0)低壓下滑脫現(xiàn)象對氣測Ka的影響滑脫現(xiàn)象→管壁處氣體分子參與流動(dòng)

→與液測相比，相當(dāng)于增大了孔道流動(dòng)空間吸附作用→管壁處液體分子形成液膜不流動(dòng)

→減小了孔道流動(dòng)空間液測KL＜?xì)鉁yKa

★對同一巖石有：氣測Ka＞液測KL滑脫現(xiàn)象對氣測Ka的影響等效液體滲透率當(dāng)，，氣體分子間距，氣體性質(zhì)越接近液體性質(zhì)根據(jù)Ka與直線關(guān)系，Klinkenberg提出：當(dāng)→∞時(shí)，Ka→常數(shù)K∞（在數(shù)值上，K∞＝巖石K）K∞稱等效液體滲透率或克氏滲透率b滑脫系數(shù)；與氣體性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)等效液體滲透率當(dāng)→∞時(shí)，Ka→常數(shù)K∞K∞稱等效液體滑脫現(xiàn)象的影響因素r毛管半徑；C≈1；d分子直徑；λ為平均壓力下分子平均自由程n分子密度(與平均壓力有關(guān))★平均壓力越低，氣體分子量越小，巖石孔隙越小，氣測滲透率的滑脫效應(yīng)越嚴(yán)重（b越大），Ka越大滑脫現(xiàn)象的影響因素r毛管半徑；C≈1；★平均壓力越低，氣體分6.氣測滲透率Ka

的實(shí)驗(yàn)校正(同一氣體對同一巖心)步驟測定5組以上不同平均壓力下的流量Q及巖心進(jìn)、出口壓力P1、P2數(shù)據(jù)點(diǎn)；用氣測滲透率公式計(jì)算不同平均壓力下的Ka；繪制Ka～平均壓力直線將直線外推至Ka

軸，截距即為K∞結(jié)果原理6.氣測滲透率Ka的實(shí)驗(yàn)校正(同一氣體對同一巖心)步驟測1.儲(chǔ)層巖石骨架構(gòu)成及構(gòu)造力的影響(1)巖石骨架構(gòu)成（微觀因素）顆粒：組成和結(jié)構(gòu)（大小、分選、排列等）膠結(jié)物：含量、膠結(jié)類型等骨架結(jié)構(gòu)決定巖石φ、S大小影響巖石K★顆粒越粗，分選越好，膠結(jié)物含量越少，滲透率越高四、影響巖石滲透率的因素1.儲(chǔ)層巖石骨架構(gòu)成及構(gòu)造力的影響四、影響巖石滲透率的因素(2)構(gòu)造力(宏觀因素)不同層理，滲透性不同同一層理，不同方向滲透性不同(順和垂直水流)骨架結(jié)構(gòu)從微觀上決定了儲(chǔ)層滲透率的大小沉積構(gòu)造在宏觀上決定了儲(chǔ)層滲透率的方向性

四、影響巖石滲透率的因素(2)構(gòu)造力(宏觀因素)四、影響巖石滲透率的因素2.儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響φ↑→K↑孔隙越大→K越大孔道越彎曲→K越小孔隙連通度越低→K越小孔喉比越大→K越小四、影響巖石滲透率的因素孔隙結(jié)構(gòu)是影響巖石K的微觀因素孔隙度是影響K的宏觀因素，是微觀在宏觀的表現(xiàn)2.儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響φ↑→K↑四、影響巖石滲透率的因素孔3.地靜壓力和地層溫度地靜壓力和地層溫度對巖石K的影響具有互補(bǔ)關(guān)系：地靜壓力↑→巖石K↓地溫↑→減小地靜壓力降低K

的作用（T↑→巖石骨架、流體膨脹）四、影響巖石滲透率的因素3.地靜壓力和地層溫度（T↑→巖石骨架、流體膨脹）四、影響1、常規(guī)小巖心測定★適用：一般砂巖儲(chǔ)集層巖心原理：Darcy定律第四節(jié)巖石滲透率的測定與計(jì)算室內(nèi)測定巖石滲透率1、常規(guī)小巖心測定★第四節(jié)巖石滲透率的測定與計(jì)算室內(nèi)測定巖2、全直徑巖心測定適用：含有較大的溶孔、溶洞、裂縫等非均質(zhì)較強(qiáng)的砂、礫巖儲(chǔ)層巖樣內(nèi)容：a）水平K

測定；b）垂直K

測定；c）徑向K

測定設(shè)備：全直徑巖心夾持器原理：Darcy定律(1)垂直滲透率測定(vertical)同常規(guī)小巖心測定流體沿著垂直巖石層面方向線性流動(dòng)時(shí)，測得的滲透率2、全直徑巖心測定(1)垂直滲透率測定(vertical)同(2)水平滲透率測定(horizontal)流體沿著平行巖石層面方向線性流動(dòng)時(shí)，測得的滲透率裝置計(jì)算公式（混合單位）E為形狀系數(shù)，取決于濾網(wǎng)分配氣體的弓形角；三、巖石滲透率的實(shí)驗(yàn)室測定(2)水平滲透率測定(horizontal)流體沿著平行巖石(3)徑向滲透率測定(radial)流體在巖心中呈徑向線性流動(dòng)時(shí)，測得的滲透率裝置計(jì)算公式（混合單位）de－巖樣外徑dw

－及孔眼內(nèi)徑P1－進(jìn)口壓力P2

－出口壓力測定關(guān)鍵在巖心正中心鉆一小孔，使流體在巖心中呈徑向流動(dòng)三、巖石滲透率的實(shí)驗(yàn)室測定(3)徑向滲透率測定(radial)流體在巖心中呈徑向線性流2.3滲透率的測定與計(jì)算利用測井資料估算滲透率按照平均孔隙半徑和孔隙

度計(jì)算滲透率2.3滲透率的測定與計(jì)算利用測井資料估算滲透率按照用巖樣孔隙數(shù)據(jù)估算(基于等效滲流阻力原理)等效滲流阻力原理：兩種巖石在其它條件相同時(shí)，若滲流阻力相等，則通過巖石的流量也相等用巖樣孔隙數(shù)據(jù)估算(基于等效滲流阻力原理)思路：基于等效滲流阻力原理，即：第四節(jié)巖石滲透率的測定與計(jì)算思路：基于等效滲流阻力原理，即：第四節(jié)巖石滲透率的測定與計(jì)公式推導(dǎo)：巖石中流體滲流的達(dá)西公式：毛管束模型：單位截面積中有n根等徑毛管，其它幾何尺寸、流體性質(zhì)、壓差與真實(shí)巖石同，據(jù)毛管滲流的泊稷葉（poiseuille）公式，得毛管束模型滲流時(shí)的流量<1><2>五、巖石滲透率的估算公式推導(dǎo)：毛管束模型：單位截面積中有n根等徑毛管，其它幾何尺據(jù)孔隙度定義：將<4>代入<3>則得巖石K

估算公式：據(jù)等效滲流阻力原理：<1>=<2><3><4>五、巖石滲透率的估算據(jù)孔隙度定義：將<4>代入<3>則得巖石K估算公式：據(jù)等效1、算術(shù)平均(arithmeticaverage)式中：n為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；

φi

為數(shù)據(jù)點(diǎn)的孔隙度；

Ki

為數(shù)據(jù)點(diǎn)的滲透率。第五節(jié)儲(chǔ)層巖石參數(shù)的平均值處理方法適用范圍：求單井、單層巖石參數(shù)平均值儲(chǔ)層巖石物性參數(shù)平均值處理方法主要有算術(shù)平均、加權(quán)平均和按物理過程平均三種1、算術(shù)平均(arithmeticaverage)式中：2、加權(quán)平均(weightedaverage)(1)常規(guī)加權(quán)方法公式適用對象厚度加權(quán)（垂向）求單井、小層、油層的物性參數(shù)平均值。面積加權(quán)（平面）求小層、油層的物性參數(shù)平均值。體積加權(quán)（空間）求油層組的物性參數(shù)平均值，動(dòng)態(tài)研究中常用。第五節(jié)儲(chǔ)層巖石參數(shù)的平均值處理方法2、加權(quán)平均(weightedaverage)方法公式適用(2)特殊平均方法對數(shù)平均：倒數(shù)平均：調(diào)和平均：幾何平均：Kv平均值與垂向上K的平均值是兩個(gè)不同的概念第五節(jié)儲(chǔ)層巖石參數(shù)的平均值處理方法(2)特殊平均方法對數(shù)平均：倒數(shù)平均：調(diào)和平均：幾何平均：K3、按物理過程平均（常用于求組合層的巖石參數(shù)平均值）

該方法按動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程求參數(shù)的平均值，按流動(dòng)層段組合方式，可分為兩種類型：串聯(lián)組合層（按物理過程平均）組合層線性流動(dòng)組合層徑向流動(dòng)并聯(lián)組合層：組合層線性流動(dòng)(加權(quán)平均)≈油層中的小層合并第五節(jié)儲(chǔ)層巖石參數(shù)的平均值處理方法3、按物理過程平均（常用于求組合層的巖石參數(shù)平均值）2.3滲透率的測定與計(jì)算并聯(lián)地