西南油层物理教材-第一章 储层岩石的物理特性

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1、第一章第一章 储层岩石的物理特性储层岩石的物理特性油气储层为地下深处多孔岩层，因此油气地下储集空间的特征储层多 孔介质的结构、性质决定了油藏的赋存特点、油气的储存丰度与储量、油气井 的产能，也决定了油藏开发的难易程度和最终效果。研究和掌握储层物性是认 识储层、评价储层、保护和改造储层的基础，是从事石油勘探、钻井、油田开 发开采及提高油气采收率工作所必需掌握的基础知识。 石油与天然气储层主要为沉积岩储集层，而沉积岩又分为碎屑岩和碳酸盐岩储集层 （表 51） 。世界上主要含油气区的储集层多为碎屑岩储集层，它包括各种类型的砂岩、 砾岩、砾砂岩以及泥岩。碎屑岩储集层分布广、物性好，是主要的储层岩石。

2、碳酸盐岩储集层是另一类重要的油气储集层。根据全球资料统计，以碳酸盐岩为储集 层的油气储量，约占总储量的一半，油产量达到总产量的 50以上。波斯湾盆地是世界碳 酸盐岩油田分布最集中的地区，我国也发现了一批碳酸盐岩油气藏。实践向人们展示了在 碳酸盐岩中寻找油气资源的广阔前景。本篇将以碎屑岩（砂岩） 、碳酸盐岩为主要研究对象。表 51 储层岩石的分类与实例沉积类型岩 性分 类典型油田举例疏松砂岩萨尔图油田、胜坨油田粉砂岩文东油田致密砂岩枣园油田砂岩裂缝性砂岩延长油田砾岩砾岩克拉玛依油田砂砾岩曙光油田砂砾岩裂缝性砂砾岩蒙古林油田碎屑岩泥岩孔隙缝洞泥灰岩南翼山油田裂缝孔洞白云岩任丘油田白云岩裂缝孔隙泥质

3、白云岩风成城油田裂缝孔洞灰岩苏桥油田生物灰岩桩西油田石灰岩孔隙裂缝藻灰岩义东油田裂缝孔隙安山岩风化店油田裂缝性凝灰岩哈达图油田火山岩车排子油田火成岩玄武岩、安山岩克拉玛依油田 417 断块裂缝性变质岩鸭儿峡油田碳酸盐岩变质岩裂缝性花岗岩静安堡油田砂岩储层是由砂粒沉积并经胶结物胶结而成的多孔介质，颗粒固体物质构成骨架，颗 粒之间存在的间隙为空隙或称孔隙。本篇研究砂岩的粒度组成、比面等骨架性质，以及孔 隙性、渗透性、饱和度、压缩性、热学性质、电学性质、放射性、声学特性等各种性质。 这些性质或参数并非一成不变的，而是受钻井、开发开采作业的影响，储层敏感性(速 敏、水敏、酸敏等)及其评价问题，也是本篇

4、研究的一个内容。第一节第一节 储层多孔介质的几何特性储层多孔介质的几何特性本章主要介绍储层岩石的颗粒粒度、孔隙性与流体饱和度等，这些都与多孔介质的几 何特性有关。11 砂岩的构成砂岩的构成砂岩是由性质不同、形状各异、大小不等的砂粒经胶结物胶结而成的。储层性质主要 受颗粒的大小、形状、排列方式、胶结物的成分、数量、性质以及胶结方式的影响。地质 师可以根据粒度分布参数和曲线判断沉积环境，油藏工程师可以根据粒度分布参数和曲线 评价储层的优劣。这里先研究砂粒的粒度与储层物性间的关系。1.1 岩石的粒度组成岩石的粒度组成1.粒度组成的概念用橡皮锤将砂岩捣碎、分解成单个的砂粒，可以发现砂岩是由大小不同的各

5、种颗粒组 成。岩石颗粒的大小称为粒度，用其直径来表示（单位 mm 或 m） 。按砂粒大小范围所 分的组称为粒级。划分粒级的方法很多，表 52 是常见的一种。表 52 粒级的划分粉砂砂砾粒级划分泥(粘土)细粉砂粗粉砂细砂中砂粗砂细砾中砾粗砾巨砾颗粒直径（mm）1000砂岩的粒度组成是指不同粒径范围（粒级）的颗粒占全部颗粒的百分数（含量） ，通 常用质量百分数来表示。一般用筛析法和沉降法来测定砂岩的粒度及粒度组成。 (1)筛析法筛析法是将由粗至细的一套筛子叠放、固定在震动筛分机上，对已破碎、分解的岩石 颗粒进行筛析，每一个筛子的筛上剩余颗粒质量可由天平称得，得到颗粒粒级质量分布。 筛子的筛孔尺寸有

6、两种表示方法：（1）以每英寸长度上的孔数表示，称为目或号， 例如 200 目表示每英寸长度上有 200 孔；（2）以毫米直接来表示筛孔孔眼的大小。成套筛子的孔眼大小排列有一定的规则，例如相邻两级筛孔孔眼大小的级差为42或2。显然，粒度分级取决于该套筛子的尺寸。 储层砂岩颗粒的直径一般在 10.01mm 之间。例如，L 油田岩样的筛分结果见表 53。(2) 沉降法 最细一层筛子筛下的颗粒是极细的软泥，需要再细分其粒级时，可采用沉降法（用于 确定岩样中小于 7253m 的粒级含量） 。其原理是根据不同直径的颗粒在液体中具有不同 的沉降速度，因而到达底部所需时间不同。 假设（1）砂岩颗粒坚硬、为球形

7、颗粒； （2）微粒在粘性、不可压缩液体中的运动相当缓慢，且距离容器壁及底面为无穷远； （3）微粒以恒速沉降；微粒在沉降时呈单粒分散； （4）在运动着的微粒与分散介质之间介面上，不发生滑动。 在上述假设条件下，根据流体力学斯托克公式，颗粒的沉降速度为： ) 1(182 LsgdV （51）由此导出粒径的计算式： )1(18LsgVd（5 2） 式中：d颗粒直径，cm；V粒径为 d 的颗粒在液体中的下沉速度，cms；s颗粒密度，gcm3； L液体密度，gcm3；v液体的运动粘度，cm2s； g重力加速度，g=981cms2。由上式可知，选定悬浮液(常用清水)后，L和 v 为已知数，颗粒密度 s可用

8、比重瓶 等方法测得。如果再测出颗粒在液体中的下降速度 V，则颗粒直径 d 便可按(52)式求得， 并用计数法测出直径 d 的颗粒在颗粒中所占的个数百分比。 经验表明，当颗粒直径为 50100m 时，该方法有足够的精度。此外，颗粒的浓度对 颗粒在分散液中下沉速度影响较大，测定时要求岩石颗粒在悬浮液中的重量浓度不超过 1。 筛析法或沉降法所得出的粒径 d 值只是一个范围，它们比上一级筛孔的直径 d1小，又比下一级筛孔的直径 di大，其平均值d可用下式求得：)11(211 iiiddd(53)式中：id颗粒的平均直径； ,iidd分别为相邻的两层筛子的孔眼直径。对于较致密的细粒岩石，还可以制成岩石薄

9、片用显微镜观测或图像分析仪器测定其粒 度组成。近年来国内外研制和使用了多种基于光学原理的颗粒直径测定方法和仪器。表 53 某岩样的粒度组成粒径（筛孔直径）筛上质量平均粒径质量百分比累计百分比目mmgd,mm%151.3320.243 200.9000.0681.0740.080100.000400.4506.1610.6007.19899.920600.28036.5040.34542.64992.722800.18030.2910.21935.39050.0731000.1544.6970.1665.48814.6831200.1253.0570.1383.5729.1951400.1050

10、.1200.1140.1405.6231600.0981.6160.1011.8885.4831800.0900.5860.0940.6853.5952000.0742.4910.0812.9102.910合计85.591 2、粒度组成的表示方法表 53 所示的粒度组成还可以用作图法表示，作图法可采用不同的图形来表示粒度 分布，如：直方图、累积曲线图、频率曲线图等等，其中矿场上常用的是粒度组成分布曲 线(图 51)和粒度组成累积分布曲线(图 52)。 粒度组成分布曲线表示了各种粒径的颗粒所占的百分数，即任一粒级颗粒在岩石中的 含量。曲线尖峰越高，表明该岩石以某一粒径颗粒为主，岩石粒度组成越均匀

11、；曲线尖峰 越靠右，表明岩石颗粒越粗。反之亦然。在粒度组成累积分布曲线上，上升段越陡表明岩石颗粒越均匀。利用该曲线，可以根 据一些特征点来求得粒度参数，进而定量分析岩石粒度组成的均匀性。 粒度组成分布曲线的几种常见形态见图 53（mi为质量百分比，d 为粒径） 。图形表 示法直观明了，可以清楚地表示出岩石粒度的均匀程度以及颗粒按大小分布的特征。为了 定量计算粒度组成的均匀程度或特征，引入了粒度参数。粒度分布的属性及粒度参数见表54。下面介绍几种常用的粒度参数。 3、粒度参数(1)不均匀系数 累计分布曲线上累积重量 60所对应的颗粒直径 d60与累积重量 10所对应的颗粒直 径 dl0之比称为不

12、均匀系数，即：1060/ dd(54)储层岩石的不均匀系数一般在 120 之间。对照累积分布曲线不难理解，粒度 越均匀则不均匀系数越接近于 1。 (2)分选系数 S用累积重量 25，50，75三个 特征点将累积曲线划分为四段，特拉斯特表 54 粒度组成的属性及粒度参数属性技术度量分散性粒度中值、平均粒度、比面分选性分选系数、不均匀系数对称性偏态、偏度尖度峰态中心集结趋势中位数、平均模数图 53 常见的粒度分布曲线的形态 廟 帰 廷 廷 翿 翿 缰 缰 缱 缱 翿 % 翟 缰帵 廷 廷 廷 翿 翿 翿 翿 缱 缱 翿洬罭 缥翿 mimimimimiddddd(a)(b)(c)(d)(e)对称型或

13、钟型正歪态负歪态双峰态多峰态取两个特征点定义分选系数为：2575 ddS (55) 式中：d25累积分布曲线上 25处所对应的颗粒直径，mm；d75累积分布曲线上 75处所对应的颗粒直径，mm。按特拉斯克的约定：S12.5 为分选好；S2.54.5 为分选中等；S4.5 为分选差。 (3)标准偏差 福克、沃德等人提出用正态分布标准偏差的大小来划分颗粒分选性的等级，其公式 如下：6.6)( 4)(5951684(56)式中：i第 i 种粒级直径取以 2 为对数的值，iiidd1loglog22di第 i 种粒级处的颗粒直径（即累计曲线上 95、84、16、5处所对应的 直径） ，mm。由式(56

14、)可看出，该方法既包括了粒度组成累积分布曲线上从16到84的主体区 间，也包括了曲线的首部（5）和尾部(95)的特征，因此用该参数评价颗粒的分选性效 果比较理想，它是比较常用的粒度参数之一。表 55 表明，标准偏差越小，岩石分选 性越好。表 55 按标准偏差划分的分选等级(据福克和沃德，1957)福克、沃德标准偏差()分选等级0.350.350.500.500.710.711.001.002.002.004.004.00分选极好分选好分选较好分选中等分选差分选很差分选极差4、几种平均粒度 （1）粒度中值 d50：累积分布曲线上质量 50%所对应的颗粒直径，mm （2）粒度平均值 dm：用几个特

15、征点的颗粒直径进行算术平均，有下列几种平均方法：10958525155ddddddm(57)或 3845016ddddm（57）或 3755025ddddm（57） 碳酸盐岩（如灰岩和白云岩等）不存在粒度问题，因为其骨架颗粒、胶结物及孔隙充 填物基本上都是相同物质，无法将它们分为单个颗粒。1.2 岩石的比面岩石的比面1、比面的概念及研究它的意义岩石骨架分散性还可以用岩石的比表面积（又称比面）来描述， 所谓比面是指单位 体积岩石内孔隙总内表面积或单位体积岩石内岩石骨架的总表面积。其表达式如下：VAS (58)式中：S岩石比面，cm2cm3；A岩石孔隙的总内表面积，cm2；V岩石外表体积(或称为视体积)，cm3。 当颗粒间是点接触时，岩石孔隙的总内表面积即为所有颗粒的总表面积。例如，半径 为 R 的球体所组成的多孔介质，其比面应为 S84R2(4R)32R。显然，R 越小， 孔隙介质比面越大。 同理，砂岩的砂粒