(完整版)第三章储层岩石的物理性质

第三章储层岩石的物理性质

3-0 简介

石油储集岩可能由粒散的疏松砂岩构成，也可能由非常致密坚硬的砂岩、石灰岩或白云岩构成。岩石颗粒可能与大量的各种物质结合在一起，最常见的是硅石、方解石或粘土。认识岩石的物理性质以及与烃类流体的相互关系，对于正确和评价油藏的动态是十分必要的。

岩石实验分析是确定油藏岩石性质的主要方法。岩心是从油藏条件下采集的，这会引起相应的岩心体积、孔隙度和流体饱和度的变化。有时候还会引起地层的润湿性的变化。这些变化对岩石物性的影响可能很大，也可能很小。主要取决于油层的特性和所研究物性参数，在实验方案中应考虑到这些变化。

有两大类岩心分析方法可以确定储集层岩石的物理性质。

一、常规岩心实验

1、孔隙度

2、渗透率

3、饱和度

二、特殊实验

1、上覆岩石压力，

2、毛管压力，

3、相对渗透率，

4、润湿性，

5、表面与界面张力。

上述岩石的物性参数对油藏工程计算必不可少，因为他们直接影响这烃类物质的数量和分布。而且，当与流体性质结合起来后，还可以研究某一油藏流体的流动状态。

3-1 岩石的孔隙度

岩石的孔隙度是衡量岩石孔隙储集流体（油气水）能力的重要参数。一、孔隙度定义

岩石的孔隙体积与岩石的总体积之比。绝对孔隙度和有效孔隙度。

特征体元和孔隙度：对多孔介质进行数学描述的基础定义是孔隙度。定义多孔介质中某一点的孔隙度首先必须选取体元，这个体元不能太小，应当包括足够的有效孔隙数，又不能太大，以便能够代表介质的局部性质。

i p U U U U M i ??=?→?)(lim

)(0

φ，)(lim )(M M M M '='

→φφ

称体积△U 0为多孔介质在数学点M 处的特征体元—多孔介质的质点。这样的定义结果，使得多孔介质成为在每个点上均有孔隙度的连续函数。若这样定义的孔隙度与空间位置无关，则称这种介质对孔隙度而言是均匀介质。对于均匀介质，孔隙度的简单定义为：

绝对孔隙度：V V V V V G

P a -==φ 有效孔隙度：V

V V V V V n

G eP --=

φ 孔隙度是标量，有线孔隙度、面孔隙度、绝对孔隙度、有效孔隙度之分。区分

0多孔介质孔隙度的定义

两类孔隙类型非常重要，一种是相互连通的有效孔隙，另一种是相对孤立的、不联通的死孔隙。相当大孔隙度由于缺乏相互连通的孔隙，使得液体无法流动，油藏工程计算中，用的就是有效孔隙度。

孔隙度可以根据诱导孔隙成因的不同来划分。原始孔隙是在物质的沉积过程中形成的。而次生孔隙则在岩石沉积以后的地质过程中形成的。砂岩的粒间孔隙、某些石灰岩的鱼网状和鲕滩孔隙就是典型的原始孔隙。在页岩和石灰岩中发现的裂缝以及通常在石灰岩中发现的溶洞就是典型的次生孔隙。据有原始孔隙的岩石物性分布要比其他大部分的岩石均匀。

石油工程师感兴趣的是有效孔隙。因此，要重视孔隙度的测定方法。

1、现用已知密度的流体100%饱和岩样，然后测量由于饱和流体后岩石增量的

重量来确定——有效孔隙。因为饱和的流体只能进入相互连通的孔隙空间。

2、用砚钵或碾锥压碎岩样样本，从而确定岩心样本中的真实固体部分的体积—

—绝对孔隙，因为所有的孤立孔隙空间在压碎过程中均会消失。

二、评价指标

三、测定

实验室为了确定岩样的体积、孔隙体积和颗粒体积，采用多种方法。常用：气体法、液体法和颗粒密度法等。近年来，根据波义尔定律，利用气体法测量孔隙度占了绝对优势，主要原因：简单可靠，误差精度控制在0.5%之内。

三、孔隙度加权平均

油藏岩石一般在垂直方向孔隙度有较大变化，但在与岩石层面平行的方向上变化不大。在这种情况下，可用算术平均孔隙度或厚度加权孔隙度来描述油藏的平均孔隙度。而沉积条件的变化则会引起油藏某一部分的孔隙度与另一部分的孔隙度相差很远。则用面积加权或体积加权的孔隙度来表示平均孔隙度。算术平均： ∑=n i /?φ；厚度加权平均：∑=i i i h h /φφ；面积加权平均：∑=i i i A A /φφ；体积加权平均：∑=i i i i i h A h A /φφ

3-2 岩石流体的饱和度

一、基本定义

1、饱和度定义：储层岩石孔隙中某种流体所占的体积百分比。表征孔隙空间被某种流体占据的程度。 1,,=++==

g w o P

i i S S S w g o i V V S

所有饱和度是基于孔隙介质而不是总油藏体积。

2、原始含油饱和度：油藏投入开发前所测得的原始含油体积占岩石孔隙体积的百分数。

oi V V S =

原生（束缚）水饱和度：oi wi S S -=1

原生（束缚）水饱和度比较重要，主要它占据了油气之间的空间，一般来说，它并不是在整个油藏中均匀分布，因为它随着渗透率、岩性以及自由水面的高度而变化。

另一种特殊的相饱和度是临界饱和度，它与每种油藏流体有关。每种相临界饱和度的定义不同。二、临界油饱和度Soc

如果油要流动，其油饱和度必须超过某一特定值，也就是临界油饱和度，在这种饱和度以下，油不流动。三、残余油饱和度Sor

在原油系统的油气注入驱替过程中，将有剩余油存在，并用大于临界油饱和度的残余油饱和度S or 来描述。这些石油在数量上用一大于临界油饱和度的值来表征。这种饱和度的值就称为残余油饱和度。当被润湿相驱替时，残余油饱和度通常与非润湿相有关。

四、可动油饱和度Som

定义为：可动油占据孔隙体积的百分比，

oc wc om S S S --=1

wc S ——原生水饱和度； oc S ——临界油饱和度。

五、临界气饱和度Sgc

当油藏压力降至泡点压力以下时，气体逐渐从油相中分离出来，随油藏压力的进一步下降，气体饱和度上升，当气相饱和度超过某一特定饱和度时，气体开始流动。这种饱和度的值就称为临界气饱和度。六、临界水饱和度Swc

临界水饱和度、原生水饱和度和不可降低的水饱和度经常互换使用，并用它们来定义水保持不流动时的最大饱和度。七、平均饱和度

利用层段厚度i h 和层段孔隙度i φ加权来计算平均饱和度。

∑∑===

i i

i n

i oi

i o h

h S 1

φφ；∑∑===

i i

i n

i wi

i w h

h S 1

φφ；∑∑===

i i

i n

i gi

i i g h

h S 1

φφ

八、测定方法

（1）油基泥浆密闭取心分析法：通过高压密闭油基泥浆钻井，将油层的岩心取出，可以避免泥浆对岩心中流体的冲洗侵害，能保持地层岩心中流体的原始状态，在实验室对岩心进行专门仪器的蒸馏与冷却，测定冷却后束缚水的体积量。

wi oi P

w wi S S V V V ===

（2）、测井资料解释法：利用测井资料，先确定原始含水饱和度，在确定原始含油饱和度。著名的阿尔奇（Archie ）公式：

t w wi R aR S /1)(

= Rw ——地层水的电阻率，m .Ω；

R t ——地层的真电阻率（使用深电阻率测井），m .Ω；

m ——胶结指数；1.4-2.8，一般使用2.0；对于软地层m =2.15；对于硬地层m =2.2；对于裂缝性地层m =1.4；对于碳酸盐地层m =1.87+0.19Φ；

n ——饱和指数，变化范围为1.4-10,一般取2.0,和m 的指数相同。

（3）、最小孔吼半径法：利用压汞法测毛管力，并计算不同毛管力下的孔吼半径大小，最高的毛管压力，对应于最小的孔吼半径和最低的含水饱和度（束缚水饱和度）。

3-3 岩石的渗透率

一、岩石的绝对渗透率 1、定义

渗透率是储层岩石让流体通过的能力。1856年法国工程师Henry Darcy 公布了他稳态试验的结果，后人把他的成果归纳和总结，称之为达西定律(Darcy Law)。

达西稳态线性关系是：

udL

AdP

L u P A K

q -=??= P

A L

qu K ??=

达西单位制：Q —cm 3/s ；A ——cm 2；L ——cm ；u ——mPa.s ；P ——atm ；K ——um 2(达西)

Darcy 定律流量表达式： ??

??+--

=θρμsin 21g L P P KA Q Darcy 定律微分形式：

??+??-

=θρμsin g L P K v Darcy 定律矢量形式：

()g P K v ρρρμ+?-=，k z

j y i x ρρρ??+??+??=?

2、渗透率含义

渗透率K 是Darcy 定律中的比例系数，它是反应多孔介质结构特性的一个参数表示为（L 是沿流动方向）： φρμsin g L

K +??-

渗透率(k )是流体通过多孔介质能力的重要量度。它是表征多孔介质孔隙特征的重要

参数。渗透率定义为单位时间内，在单位压力梯度下，粘度为1个单位的流体通过单位横截面积孔隙介质的体积流量。渗透率单位取决于表示达西定律中的各量的单位。但渗透率在量纲上与面积量纲相同，在SI标准单位制中渗透率的单位是μm2（平方微米）。

岩石的渗透率是一个二阶对称张量，一般来说储层岩石不是各向同性的，而是各向异性的。就砂岩储层来说，除了水平和垂直方向的渗透率有差异外，在平面上各个方向上的渗透率往往也有差异。有时，储层砂岩在水平方向上各方向的渗透率差异不大，可以认为是水平方向各向同性。当岩石中存在天然裂缝时，渗透率的各向异性更为突出。

3、评价指标

4、Darcy定律适用范围

(1)单相流体饱和；(2)流体与岩石不发生任何物理和化学反应；(3)稳态层流（粘性流）。（4）有关限制：包括速度限制、密度限制。

速度上限（高速情形）：Fanning摩擦系数对Renolds数关系曲线f～Re图△P/△L

△P/△L

Reynolds ：φμρvd =

Re ，φ

d 50.171= Fanning ：??

??+???=

θρρφsin 222g z P v d

f 整个曲线大致分为三段，第一段Re < 5左右是斜率为-1的直线段，第二段约在范围 5 < Re < 100左右有一个二次曲线过渡段，第三段是一个水平线段。

第一段：在双对数坐标中有

ln(Re)-ln(C))ln(=f ，?Re /C f =，???

??+??=θρμφsin 2/2g z P C d v 由此得出结论，在Re < 5（一般认为是1~10）的范围内Darcy 定律是适用的。第二段：过渡区范围内粘性力仍起主要作用（但逐渐减弱至惯性力起主要作用），流动仍然是层流，其后逐渐为湍流。运动方程为

??? ??+-=-2sin Cv v K g dL dP μθρ 或 n

g dL dP C q ??

???-=θρsin 第三段：在Re > 100的情形下，流动变为湍流。Ahmed & Sunada （1969）用多种非固结多孔介质进行研究，认为在较高速度下有以下关系式：

? ??+-=-n v v K g dL dP βρμθρsin Log(f

Log(Re )

其中β为非达西流因子，n 与多孔介质特性有关。速度下限（低速情形）：Bingham 流体特性和低压气体（1）Bingham 流体特性

???

?<=>??

??--=λλλμdx

dP v dx dP

dx dP K

v ,0,

（2）低密度亦即低压气体，Klinkenberg （1941）效应和分子扩散。

克林肯伯格（Klinkenberg ，1941）发现，用空气作为流体测定的渗透率总是大于液体测得的渗透率。他提出，液体在砂粒表面的速度为零，而气体在砂粒表面的速度不为零。也就是存在滑脱，这种滑脱导致了在给定的压降下气体有较大的渗透率，他还发现，对于给定的多孔介质，计算的渗透率随平均压力[上游压力加下游压力除2]的增大而减少。

实验室一般利用干气（空气、氮气或氦气）进行岩石渗透率的测定(适用方便，容易获得，和稳定，与岩石基本不发生反应的特点)。早期的达西试验，利用液体测定，液体在固液边界处的流速为0，而利用气体测量时，在边界层上气体的流速不为0，这就是 “滑脱效应”。Klinkenberg （克林肯贝格）通过大量实验，研究了“滑脱效应”。（1）岩石的渗透率与所使用的气体性质和测试的压力有关。在相同的测试压力下，利用分子量小的气体，测定的渗透率高；对于同一气体，则测试的平均压力愈低，渗透率越高。这一现象表明，分子量低的气体比分子量高的气体，具有较大的“滑脱效应”。并且，低平均压力下的“滑脱效应”要大于，平均压力下的“滑脱效应”。但是，无论是利用哪一种气体测定的岩心渗透率，当平均压力的倒数等于0，不同气体所测到的渗透率与P /1的直线，在纵轴上的截据相等。，该截据点的渗透率称为绝对渗透率，也叫等值液体渗透率。通过理论和大量实验研究，Klinkenberg 得到校正关系式：

如果将测定的渗透率与1/P avg 作图外推至1/P avg =0，也就是P avg 无穷大，该渗透率近似等于液测渗透率。

avg

g L P m

K K 1

对于不同渗透率的岩心，都需要，Klinkenberg 校正，以求代表岩心的绝对渗透率，即等值液体渗透率。

L K ——等效的液相渗透率，绝对渗透率； g K ——测定的气相渗透率，绝对渗透率；

avg P ——平均压力； m ——直线斜率。

Klinkenberg （1941）认为直线的斜率是下述因素的函数。（1）绝对渗透率K （2）所用气体类型，如空气。（3）岩石毛细管的平均直径。克林肯伯格用下述关系式表示斜率：

L bK m = avg

g L P bK K K 1

-= Jones(1972)年通过大量实验回归得到：

.069.0/-==L L K K m b

09.664.0=-+g avg L avg L K P K P K

avg P ——平均压力，psai ；

g K ——平均压力下的气体渗透率，mD ；

L K ——绝对渗透率，mD 。

当已知气测渗透率g K 时，可用上式来计算岩心的绝对渗透率。这一非线性公式可以用牛顿—拉夫申（Newton-Raphson ）迭代求解。

)

()

1i i i i K f K f K K -

=+ avg i i P K K f +=-36.0;416.4)(

当)('i K f 接近0或计算的i K 满足一定的精度，达到收敛的条件，停止迭代。

例子：用空气来测定岩心的渗透率，在平均压力为2.152psi 时作了一次试验，所得空气渗透率为46.mD 。估算岩心样品的绝对渗透率，并和绝对渗透率23.66mD 比较。解：1、将给定的平均压力P avg 和Kg 代入以上方程：

6.46152.2152.29.6)(64.0?-+=i i i K K K f ；

152.2416.4)(36.0;+=-i i K K f

2、假定K i =30，运用Newton-Raphson 迭代。

二、实验条件

标准的实验室分析会提供可靠的岩心样品的渗透率数据。提高渗透率精度的方法有：用油基泥浆切割岩心，采取用保压岩心筒以及用地面原油进行渗透率试验。渗透率会因为上覆岩石压力而减少，在估算深井油藏岩石渗透率时应考虑这一因素。因为某些地区多孔介质岩石的渗透率时各项异性的，具

有方向性。日常的岩心分析通常是对层理面平行钻取的岩心样品进行的。因此平行于储层流体流动的方向，得出的是水平渗透率。对于与层理面垂直钻取的岩心样品进行实验测得的渗透率为垂直渗透率。

在确定储层的渗透率时还应考虑到几个因素会导致误差。

1、由于储层的非均质性，岩心样品不能代表典型油藏岩石。

2、岩心收获率可能不全。

3、岩心的渗透率在切取、清洗和晾干以备分析时可能会发生改变。当岩心有活

性粘土时，可能会出现这一问题。

4、取样过程时，人们会倾向于选取岩心中最好的部分进行。

三、平均绝对渗透率

油藏内渗透率的大小和分布是很难确定的，他们比孔隙度变化更大，也更难测量。在任何开采过程中，充分了解渗透率的分布对油藏衰竭动态的预测至关重要。在实际的生产中很难遇到的均质油藏。在大多数情况下，油藏包含多个层位或短块，或渗透率呈同心环状的分布。因此必须对渗透率进行平均，以代表整个油藏或单个油层单元的流动特征。对渗透率的加权取决于岩石沉积过程中渗透率如何分布。

1、加权平均渗透率

这种方法用于具有不同渗透率的平行层状的油藏平均渗透率。如图所示，具有n各层，假定各层之间无窜流，根据线性渗流的达西定律，总流量等于n 层流量之和。可以推导出平均渗透率：

∑∑===

n i j

i j

avg h

h K

K 1

1对于具有不同层宽的相似的层状系统，假定各层之间无窜流，类

似方法可以推导出平均渗透率。

∑∑===

n i j

i j

avg A

A K

K 1

1；j j j W h A =

2、调和平均渗透率

渗透率的变化可能发生在油藏的水平方向或井眼附近，流体在n 个不同渗透率的多层系统的线性流动，根据总压降等于n 层压降之和。

......

)/()/()/(321+++=

K L K L K L L

K avg

∑∑===

n i i

i i

avg K L L

K 1

∑=-?????

???????=

n j j j j w

avg K r r r r K 11)ln()

ln(

3、几何平均渗透率

Warren 和Price(1961)通过实验说明了非均质地层与均质地层最相近的动态就是具有相同的几何渗透率。几何平均渗透率定义：

?????

??????=∑∑==n

i i n i i i avg

h K h K 11

ln exp 如果所有岩心样品的厚度相同，则简化为：

n n avg K K K K K .....321=

四、绝对渗透率的相互关系

通过毛管压力的测量来确定原生水的方法，可以确定不同渗透率的岩心中的原生水，并且适用的范围更大，结果也比以前更准确。这些测试使得我们有可能将油藏的渗透率与原生水的量进行关联。

经验表明，只要岩石类型和颗粒大小在储层内不发生变化，储层孔隙度和不可降低的原生水之间存在一种关系，这一关系用公式表述：

φwi S C =

式中C 对待定的岩石类型和颗粒大小来说是一常数。

几位研究者认为，描述岩石类型的常数C 与岩石的绝对渗透率有相关关系，常用的经验公式为： 1、Timur 公式

Timur （1968）认为可以用下式从原生水饱和度和孔隙度估计渗透率。

.458102

.8wc

S K φ=

2、Morris-Riggs 公式

Morris-Riggs 提出下面两个公式估算油气藏的渗透率：

对油藏：2

5.62???? ??=wc

K φ；对气藏：2

35.2???

??=wc

S K φ 3、阿尔奇公式

目前在测井解释中常用于计算渗透率的经验公式之一

b wc

S c K φ=

五、岩石的相（有效）渗透率和相对渗透率

1、相（有效）渗透率定义

当有两相和三相流体同时通过多孔介质时，对每一相流体通过介质的能力称为相（有效）渗透率。相渗透率与绝对渗透率的比值为相对渗透率。

1;;;<++===

rw rg ro w rw g rg o ro K K K K

K K K K K K K K );,();();(g w ro ro g rg rg w rw rw S S k K S k K S k K ===

rw rg rg rocg rog

rw rocw row rocw ro K K K K K K K K K K --???

?????+???????+=

引入相（有效）渗透率，达西定律中绝对渗透率可以用相（有效）渗透率代替，表达某一相流体的流量。 2、相对渗透率曲线

当润湿相和非润湿相流体在油藏岩石同时流动时，每相流体是沿着不同的路径流动。两相流体的分布，决定了润湿相和非润湿相的相对渗透率。下面图形是典型的油水系统的相对渗透率曲线，水为润湿相。A:单相油流动区；B:两相流动区；C:单相水流动区。50%的线先碰到水线，就是水湿油藏。

1、由于在低饱和度时，润湿相占据较小的孔隙，而这些小孔隙对流体流动不做贡献，因此。当润湿相饱和度较小时，对非润湿相的渗透率的影响是有限的。由于非润湿相占据的是中心或大孔隙，这些孔隙对流体流动起主要作用，即使当非润湿相饱和度较小时，也将大大地减少润湿相的渗透率。

2、以上结论也可以用于气油相对渗透率数据。对于气油相对渗透率曲线，也可以看作气液相对渗透率曲线。对于存在原生水情况下气液相对渗透率曲线。由于在油和水存在时，束缚水（原生水）一般占据最小的孔隙，因此，无论是油还是水占据这些孔隙都没什么区别。结果是，在应用气油相对渗透率曲线时，一般用总的液体饱和度来估算气油相对渗透率。

3、气油系统中的油相渗透率曲线与油水系统油相渗透率曲线的形状完全不同。在油水系统油相一般为非润湿相，而当存在气相时，则油相一般为润湿相。

4、另一个于多孔介质流动相关的概念是残余饱和度。当用一非混相驱替另一流体时，要把被驱替流体的饱和度减少到0是不可能的。在饱和度很小的情况下，一般认为被驱替相将停止连续流动，这个饱和度看作残余饱和度，它决定着油藏的最终采收率。反过来，某一相流体开始流动之前，必须达到，某一最小饱和度。

3、几个重要概念

残余油饱和度这一概念主要用于描述油藏中高含水期的地下含油饱和度。即被工作剂驱洗过的地层中被滞留或闭锁在岩石孔隙中的油，该部分油占储层的孔隙体积的百分数称为残余油饱和度。

与残余油容易混淆的一个名词是剩余油(remaining oil)。剩余油是由于开发过程