油藏物理 第六章

1、油藏物理課程第二篇 儲(chǔ)層巖石的物理特性第六章 儲(chǔ)層巖石的流體滲透性 一、砂巖的粒度組成孔隙度(porosity)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性; 飽和度(saturation)評(píng)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)LP1P2 Q1Q2AA第六章 儲(chǔ)層巖石的流體滲透性 本章內(nèi)容l 達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率l 氣測(cè)滲透率及氣體滑脫效應(yīng)l 影響巖石滲透率的影響因素l 巖石絕對(duì)滲透率的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定l 巖石絕對(duì)滲透率的估算第六章 儲(chǔ)

2、層巖石的流體滲透性本節(jié)重點(diǎn)：l Darcy公式及其單位制體系l 絕對(duì)滲透率定義及測(cè)定條件l 氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)流程及其計(jì)算公式l 分析氣體滑脫效應(yīng)對(duì)氣測(cè)滲透率的影響及其修正方法本節(jié)難點(diǎn)：l 氣測(cè)滲透率計(jì)算公式的推導(dǎo)l 分析氣體滑脫效應(yīng)對(duì)氣測(cè)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l裝置：如圖l條件：單相流l目的：考察影響流量的因素一、達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率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：l 與砂柱截面積A成正比l 與砂柱兩端進(jìn)出口壓差P成正比l 與砂柱長

3、度L成反比l 與流體粘度成反比(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)KLPAKQ建立Darcy定律LPAQ一、達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率達(dá)西定律l 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和流體粘度成反比l 當(dāng)其他條件相同時(shí)，粒徑不同其流量也不同PALQK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(píng)價(jià)巖石滲透性的大小一、達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率LPAKQ一、達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率注意：l 礦場(chǎng)用混合單位制，即：p

4、用atm，不用MPa(1atm0.0981MPa0.1MPa)（混合制）l Darcy定律是流體滲流的基本定律l Darcy定律對(duì)單相和多相滲流都適用l 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l 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LpAKQl 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。l 在對(duì)一個(gè)區(qū)域或油層來評(píng)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)。l 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

5、粒填集方式而不相同。 一、達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率2.巖石絕對(duì)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(cè)得的巖石滲透率為巖石的絕對(duì)滲透率PALQK注意單位(1) 巖石絕對(duì)滲透率K 的單位l 巖石K 法定計(jì)量單位：D（達(dá)西）l 礦場(chǎng)常用mD（毫達(dá)西），1D1000mD儲(chǔ)層巖石的滲透率一般為51000mD問題： K與Q 、P、A、L、是否有關(guān)？一、達(dá)西定律及巖石絕對(duì)滲透率K 與與Q 成線性：成線性：K 大大Q 大，巖石允許流體通過大，巖石允許流體通過的能力大；的能力大；K 可定量評(píng)價(jià)巖石可定量評(píng)價(jià)巖石滲透性滲透性的大小。的

6、大小。(2)1D的物理意義在長度L1cm，截面積A1 cm2 的巖心中，粘度為1cP 的流體在1atm的壓差下流過巖心流量Q1 cm3/s 時(shí)，稱巖石滲透率為1D（達(dá)西）1D1m2，巖石K 具“面積”因次PALQK2282823m1cm10cm1002. 1atm1cm1cm1cP1/s)cm1 (D13. 使用達(dá)西定律的流速條件滲流速度：由達(dá)西方程 dLdPKLPKAQvv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： vw vw 據(jù)P 與Q 為線性關(guān)系Darcy定律是線性滲流LpAKQ3. 使用達(dá)西定律的流速條件圖中PPmax時(shí)QP為非線性，不滿足D

7、arcy公式的比例關(guān)系使用條件：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l 作圖法：QP為過原點(diǎn)直線，則為線性流l 雷諾數(shù)Re 法l 據(jù)卡佳霍夫公式：u一般砂巖儲(chǔ)層的臨界Rec 為0.20.3u實(shí)際ReRec，則為線性流動(dòng)（層流） 2/35 .17KvRe1、巖石絕對(duì)滲透率的測(cè)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(cè)得的巖石滲透率為巖石的絕對(duì)滲透率l 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)；l 單相不可壓縮流體穩(wěn)定滲流；l 流量與壓差之間成線性關(guān)系（保持線性滲流）巖石的絕對(duì)滲透率是巖石的固有性質(zhì)，與測(cè)定條件無關(guān)只有嚴(yán)格滿足上

8、述三個(gè)條件測(cè)得滲透率才為巖石絕對(duì)滲透率注意：理論上：油、氣、水都可作K 的測(cè)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：l 油測(cè)時(shí)，物理吸附孔隙表面形成油膜孔隙空間巖石Kl 水測(cè)時(shí)，水敏性礦物膨脹巖石K；l 氣測(cè)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(cè)定巖石K都存在誤差2、 巖石絕對(duì)滲透率的測(cè)定方法方法：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用氣體測(cè)量巖石K，即： 低壓下用干燥空氣或氮?dú)馔ㄟ^巖心，測(cè)定K原因：l 氣體性質(zhì)較穩(wěn)定，不易變化l 不與巖石表面作用而改變孔隙大小l 氣體測(cè)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)

9、散氣體滑脫效應(yīng)校正3. 氣測(cè)滲透率的計(jì)算公式流量不穩(wěn)定校正分析：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）(1) 氣測(cè)K 公式推導(dǎo) 假設(shè)氣體粘度、巖心長度為L，截面積A，巖心兩端壓力P1、P2 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）：dLdpKAQdLdpAQK/ 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)）：常數(shù)PQQP00 式中：Q 巖心某斷面處的氣體體積流量 Q0大氣壓p0

10、下的體積流量PQPQ00常數(shù)PVVPVPVP002211 將式帶入微分Darcy公式：PdPdLAPQK00分離變量、積分:LppdLAPQKPdP00021得氣測(cè)K 公式：)(2222100PPALPQKa（混合單位制）式中：Ka氣測(cè)巖石絕對(duì)滲透率，m2 P1、P2巖心進(jìn)、出口端壓力，atm P0大氣壓力，atm Q0大氣壓p0 下的體積流量，cm3/sLPPdLAPQKPdP00021氣測(cè)巖石Ka 與液測(cè)KL 公式比較：)()(2212100PPLPPAPQKaPPPKa12/ )(1214. 氣測(cè)巖石滲透率的結(jié)果分析)(2222100PPALPQKa2/ )(21PPP平均壓力結(jié)果：l

11、同種氣體，不同平均壓力 測(cè)得的Ka 不同l 相同平均壓力 ，不同氣體測(cè)得的Ka 不同結(jié)論：l Ka 隨測(cè)定條件變化l Ka 與K 間還存在偏差原因：氣體滑脫效應(yīng)5. 氣體滑脫效應(yīng)在單根毛管滲流模型中：l 液體： 流速斷面呈圓錐曲線：l 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l 產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象的原因u 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，管壁最小0(管壁上

12、液體分子被粘住表現(xiàn)為v0)u 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)（v0）l 滑脫現(xiàn)象對(duì)氣測(cè)Ka 的影響u滑脫現(xiàn)象管壁處氣體分子參與流動(dòng) 與液測(cè)相比，相當(dāng)于增大了孔道流動(dòng)空間u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u液測(cè)KL氣測(cè)Ka 對(duì)同一巖石有：氣測(cè)Ka液測(cè)KLl 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：)1(PbKKa當(dāng) 時(shí)，Ka常數(shù)K（在數(shù)值上，K巖

13、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)l 滑脫現(xiàn)象的影響因素)/1 (pbKKarpCb/4r毛管半徑；C1；d 分子直徑； 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))2/(12nd平均壓力越低，氣體分子量越小，巖石孔隙越小，氣測(cè)滲透率的滑脫效應(yīng)越嚴(yán)重（b越大），Ka 越大6. 氣測(cè)滲透率Ka 的實(shí)驗(yàn)校正(同一氣體對(duì)同一巖心)步驟l 測(cè)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)；l 用氣測(cè)滲透率公式計(jì)算不同平均壓力下的Ka；l 繪制Ka 平均壓力直線l 將直線外推至Ka 軸，截距即為K結(jié)果)1 (PbKKa原理PAL

14、QKL1. 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）l 顆粒：組成和結(jié)構(gòu)（大小、分選、排列等）l 膠結(jié)物：含量、膠結(jié)類型等 骨架結(jié)構(gòu)決定巖石、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(2) 構(gòu)造力(宏觀因素)l 不同層理，滲透性不同l 同一層理，不同方向滲透性不同(順和垂直水流)u骨架結(jié)構(gòu)從微觀上決定了儲(chǔ)層滲透率的大小u沉積構(gòu)造在宏觀上決定了儲(chǔ)層滲透率的方向性 2. 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響l Kl 孔隙越大K 越大l 孔道越彎曲K 越小l 孔隙連通度越低K 越小l 孔喉比越大K 越小孔隙結(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

15、的表現(xiàn)3. 地靜壓力和地層溫度地靜壓力和地層溫度對(duì)巖石K 的影響具有互補(bǔ)關(guān)系：l 地靜壓力巖石Kl 地溫減小地靜壓力降低K 的作用 （T巖石骨架、流體膨脹）1、常規(guī)小巖心測(cè)定 適用：一般砂巖儲(chǔ)集層巖心 原理：Darcy定律610TALBK第四節(jié) 巖石滲透率的測(cè)定與計(jì)算室內(nèi)測(cè)定巖石滲透率2、全直徑巖心測(cè)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(cè)定；b）垂直K 測(cè)定；c）徑向K 測(cè)定設(shè)備：全直徑巖心夾持器原理：Darcy定律(1)垂直滲透率測(cè)定(vertical)同常規(guī)小巖心測(cè)定 流體沿著垂直巖石層面方向線性流動(dòng)時(shí)，測(cè)得的滲透率(2)水平滲透率測(cè)定(hor

16、izontal)流體沿著平行巖石層面方向線性流動(dòng)時(shí)，測(cè)得的滲透率裝置計(jì)算公式)(2222100ppLpQEKa（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(cè)定(3)徑向滲透率測(cè)定(radial)流體在巖心中呈徑向線性流動(dòng)時(shí)，測(cè)得的滲透率裝置計(jì)算公式（混合單位）)()/ln(2221200PPhddpQKwede巖樣外徑dw 及孔眼內(nèi)徑P1進(jìn)口壓力P2 出口壓力測(cè)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(cè)定n 利用測(cè)井資料估算滲透率 bwiaScKl 按照平均孔隙半徑和孔隙 度計(jì)算滲透率 228rK用巖樣孔隙數(shù)據(jù)估算(基于等效滲

17、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思路：基于等效滲流阻力原理，即：第四節(jié) 巖石滲透率的測(cè)定與計(jì)算公式推導(dǎo)：u巖石中流體滲流的達(dá)西公式：u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LpAKQLprnAQ84據(jù)孔隙度定義：將代入則得巖石K 估算公式：228rK 據(jù)等效滲流阻力原理：=LprnALpKA8422rnALLrnA1、算術(shù)平均(arithmetic average) nnii1式中：n 為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)； i 為數(shù)據(jù)點(diǎn)的孔隙

18、度； Ki 為數(shù)據(jù)點(diǎn)的滲透率。nKKnii1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2、加權(quán)平均(weighted average)(1)常規(guī)加權(quán)iiihhKKiiiAAKKiiiiihAhAKK方法公式適用對(duì)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)特殊平均方法nKKKKn/ )loglog(loglog21對(duì)數(shù)平均：nKKKKn11121倒數(shù)平均：)/(iiiKhh

19、K調(diào)和平均：nnKKKK21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3、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）l組合層線性流動(dòng)l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)油層中的小層合并并聯(lián)地層（多層縱向不均勻）的總滲透率直線滲流niiniiihhKhhhhKhKhKK113213322113、按物理過程平均（常用于求組合層的巖石參數(shù)平均值）并聯(lián)地層（多層縱向不均勻）的總滲透率平面徑向滲流niiniiihhKhhhhKhKhKK11321332211332211321KLKLKLLLLK串聯(lián)地層（多層縱向不均勻）的總滲透率直線滲流2312211111RRlKRRlKRRlKRRlKewwennnnniiiiweRRlKRRl111nn平面徑向滲流第六節(jié)第六節(jié) 毛管滲流模型及其應(yīng)用毛管滲流模型及其應(yīng)用毛細(xì)管束模型：等值滲流阻力原理：如果兩種巖石之間的外部形狀和幾何尺寸以及流體性質(zhì)和外加壓差相同時(shí)，若假想巖石與真實(shí)巖石的