第二章-巖石組成與巖石物理性質(zhì)課件

一、巖石的結(jié)構(gòu)

1、火成巖的結(jié)構(gòu)，是由礦物晶體組成的，巖漿冷卻結(jié)晶的時(shí)間越長(zhǎng)，形成的晶體越大。

第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)強(qiáng)度的影響第二章巖石組成與巖石物理性質(zhì)一、巖石的結(jié)構(gòu)第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)強(qiáng)度的影響第二1

2、沉積巖的結(jié)構(gòu)有兩種:一是碎屑結(jié)構(gòu)，二是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。碎屑巖是由單個(gè)顆粒通過膠結(jié)物膠結(jié)而成的，其中有大量的孔隙，常見的膠結(jié)物有鈣質(zhì)和硅質(zhì)兩種。結(jié)晶沉積巖的結(jié)構(gòu)是由沉積過程中生成的晶體決定的，晶體形成一種緊密排列結(jié)構(gòu)，原生孔隙小，如巖鹽，也可以成為生油、儲(chǔ)油層，主要是油氣層的很好的蓋層。第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)強(qiáng)度的影響2、沉積巖的結(jié)構(gòu)第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其2

3、變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)，有片狀結(jié)構(gòu)和非片狀結(jié)構(gòu)兩種。片狀結(jié)構(gòu)是在高溫高壓下，由重結(jié)晶作用和各種礦物的分離作用而造成的明暗礦物間互帶。

第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)強(qiáng)度的影響3、變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)，有片狀結(jié)構(gòu)和非片狀結(jié)構(gòu)兩3二、巖石的強(qiáng)度巖石的強(qiáng)度主要取決于礦物強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)形式、巖石的結(jié)構(gòu)和整個(gè)構(gòu)造。對(duì)于火成巖、變質(zhì)巖、化學(xué)沉積巖來說，化學(xué)結(jié)構(gòu)連結(jié)起主要作用，因此，其組成礦物的強(qiáng)度越大，巖石的強(qiáng)度就越大。對(duì)于碎屑沉積巖來說，其膠結(jié)物對(duì)強(qiáng)度影響程度最大，即其強(qiáng)度主要取決于礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。不同膠結(jié)物的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不同：硅質(zhì)〉鐵質(zhì)＞鈣質(zhì)＞泥質(zhì)。第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)強(qiáng)度的影響二、巖石的強(qiáng)度第二節(jié)巖石的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)4巖石的物理性質(zhì)是指巖石的孔隙度、滲透率、可壓縮性、導(dǎo)電性、傳熱性的總稱。巖石是由固體的礦物和礦物顆粒之間的孔隙組成的，孔隙中通常有孔隙流體存在。在砂巖的掃描電子顯微鏡照片，我們可以清楚地看到砂巖中的石英顆粒，并且還可以看到石英顆粒之間存在著流體流通的網(wǎng)絡(luò)。巖石正是這樣一種特殊的多孔介質(zhì)，一種由固體礦物和流動(dòng)的孔隙流體組成的多相體。

第三節(jié)巖石的物理性質(zhì)

砂巖的掃描電子顯微鏡照片。照片中可以看到砂巖中的石英礦物顆粒(黑色)，也可以看到它們之間的孔隙

巖石的物理性質(zhì)是指巖石的孔隙度、滲透率、可壓5孔隙流體的存在，對(duì)巖石性質(zhì)有著極其重要的影響。例如，巖石中孔隙體積增加1％，會(huì)導(dǎo)致巖石彈性參數(shù)變化10倍，或者更多,也會(huì)導(dǎo)致巖石滲透率發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。巖石內(nèi)部孔隙及孔隙流體的存在，是石油得以生成、礦物得以富集的前提。巖石的物理性質(zhì)與其力學(xué)性質(zhì)密不可分，因此，研究巖石的物理性質(zhì)是巖石力學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容?？紫读黧w的存在，對(duì)巖石性質(zhì)有著極其重要的影響6SEDIMENTARYROCKSClasticsCarbonatesEvaporites一、巖石的孔隙度SEDIMENTARYROCKSClastics一、巖石7DEFINITIONS-SEDIMENTARYROCKSedimentaryRockClasticSedimentaryRocks(SuchasShale,Siltstone,andSandstone)ConsistofBrokenFragmentsofPre-ExistingRock(cf.Detrital)CarbonateSedimentaryRocks(andEvaporites)MayFormbyChemicalPrecipitationorOrganicActivityRockFormedfromtheWeatheredProductsofPre-ExistingRocksandTransportedbyWater,Wind,andGlaciers一、巖石的孔隙度DEFINITIONS-SEDIMENTARYROCK8CLASTICANDCARBONATEROCKSClasticRocksConsistPrimarilyofSilicateMineralsAreClassifiedontheBasisof:-GrainSize-MineralComposition

CarbonateRocksConsistPrimarilyofCarbonateMinerals(i.e.MineralsWithaCOAnionGroup)

-PredominatelyCalcite(Limestone)-PredominatelyDolomite(Dolomite

orDolostone)

3-2

ClassifiedbyGrainSizeandTexture一、巖石的孔隙度CLASTICANDCARBONATEROCKSCla9Grain-SizeClassificationforClasticSedimentsNameMillimetersMicrometersBoulderCobblePebbleGranuleVeryCoarseSandCoarseSandMediumSandFineSandVeryFineSandCoarseSiltMediumSiltFineSiltVeryFineSiltClay4,096256644210.50.250.1250.0620.0310.0160.0080.00450025012562311684(modifiedfromBlatt,1982)Commonly,phi-sizesareusedforsedimentanalysis一、巖石的孔隙度Grain-SizeClassificationfor10c.砂土的分類粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土稱為砂土土的名稱漂石塊石卵石碎石圓礫角礫顆粒形狀圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主顆粒級(jí)配粒徑大于200mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于20mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50％注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定碎石土的分類一、巖石的孔隙度c.砂土的分類粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%11d.粉土的分類

粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%，塑性指數(shù)IP≤10的土稱為粉土土的名稱礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂顆粒級(jí)配粒徑大于2mm的顆粒含量占全重25％～50％注：定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定粒徑大于0.5mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.25mm的顆粒含量超過全重50％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重85％粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50％砂土的分類e.粘性土的分類粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%，塑性指數(shù)IP＞10的土稱為粘性土，粘性土根據(jù)塑性指數(shù)細(xì)分土的名稱粘土粉質(zhì)粘土塑性指數(shù)注：塑性指數(shù)由相應(yīng)于76g圓錐體沉入土樣中深度為10mm測(cè)定的液限計(jì)算而得IP＞1710＜IP≤17一、巖石的孔隙度d.粉土的分類粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重12FrameworkMatrixCementPoresSand(andSilt)SizeDetritalGrainsSiltandClaySizeDetritalMaterialMaterialPrecipitatedPost-Depositionally,DuringBurial.CementsFillPoresandReplaceFrameworkGrainsVoidsAmongtheAboveComponentsFOURMAJORCOMPONENTSOFSANDSTONE碎屑一、巖石的孔隙度沉淀FrameworkMatrixCementPores13FOURCOMPONENTSOFSANDSTONEMATRIXFRAMEWORK(QUARTZ)FRAMEWORK(FELDSPAR)CEMENTPORENotedifferentuseof“matrix”bygeologistsandengineers0.25mmFrameworkMatrixCementPoresEngineering“matrix”Geologist’sClassificationFOURCOMPONENTSOFSANDSTONEMA14DUALPOROSITYINSANDSTONEMATRIXFRAMEWORK(QUARTZ)FRAMEWORK(FELDSPAR)CEMENTPORENotedifferentuseof“matrix”bygeologistsandengineers0.25mmSandstoneComp.FrameworkMatrixCementPoresDISSOLUTIONPOREFRACTUREPrimaryandsecondary“matrix”porositysystemFractureporositysystemDUALPOROSITYINSANDSTONEMATR15

一、巖石的孔隙度巖石的孔隙度是巖石孔隙的總體積與巖石總體積之比，常用百分?jǐn)?shù)表示。巖石的總體積V總由基質(zhì)的體積V基和孔隙體積V孔兩部分組成，則巖石的孔隙度φ表示為：

φ=

上式中，φ值為無因次量，稱為絕對(duì)孔隙度。一、巖石的孔隙度一、巖石的孔隙度一、巖石的孔隙度16在油田開發(fā)中，參與滲流的連通孔隙才是有效的，對(duì)于那些封閉孔隙，盡管其中有油氣儲(chǔ)存，但是很難開采出來，因此稱為無效孔隙。這樣就把孔隙度分為有效孔隙度和無效孔隙度兩種。巖石的有效孔隙度，是指巖石中有效孔隙的體積與巖石總體積的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。有效孔隙體積是指參與滲流的連通孔隙體積，以φ有效、V連通分別表示巖石的有效孔隙度和連通孔隙體積，則：

Φ有效=一、巖石的孔隙度在油田開發(fā)中，參與滲流的連通孔隙才是有效的，對(duì)于17CUBICPACKINGOFSPHERESPorosity=48%一、巖石的孔隙度CUBICPACKINGOFSPHERESPorosi18RHOMBICPACKINGOFSPHERESPorosity=27%一、巖石的孔隙度RHOMBICPACKINGOFSPHERESPoro19PackingofTwoSizesofSpheresPorosity=14%一、巖石的孔隙度PackingofTwoSizesofSphere20

按照孔隙度值來劃分或評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層，其標(biāo)準(zhǔn)為：φ<5％極差儲(chǔ)層5％＜φ<10％差儲(chǔ)層10％＜φ<20%良好儲(chǔ)層φ>20％特好儲(chǔ)層一、巖石的孔隙度按照孔隙度值來劃分或評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層，其標(biāo)準(zhǔn)為：一21Grain-SizeSortinginSandstoneVeryWellSortedWellSortedModeratelySortedPoorlySortedVeryPoorlySortedSORTING一、巖石的孔隙度Grain-SizeSortinginSandston22SANDSTONECOMPOSITION,FrameworkGrainsNorphletSandstone,OffshoreAlabama,USAGrains~0.25mminDiameter/LengthPRFKFPKF=PotassiumFeldsparPRF=PlutonicRockFragmentP=PorePotassiumFeldsparisStainedYellowWithaChemicalDyePoresareImpregnatedWithBlue-DyedEpoxyKFQQQ=QuartzPhotobyR.KuglerPlutonicrockfragmentsarederivedfromigneousrocks,

suchasgranite.一、巖石的孔隙度SANDSTONECOMPOSITION,Framewor23POROSITYINSANDSTONEQuartzGrainPoreScanningElectronMicrographNorphletSandstone,OffshoreAlabama,USAPorosityinSandstoneTypicallyisLowerThanThatofIdealizedPackedSpheresOwingto:VariationinGrainSizeVariationinGrainShapeCementationMechanicalandChemicalCompactionPhotomicrographbyR.L.Kugler一、巖石的孔隙度壓縮POROSITYINSANDSTONEQuartzGra24POROSITYINSANDSTONEScanningElectronMicrographTordilloSandstone,NeuquenBasin,ArgentinaPoreThroatsinSandstoneMayBeLinedWithAVarietyofCementMineralsThatAffectPetrophysicalPropertiesPhotomicrographbyR.L.Kugler一、巖石的孔隙度POROSITYINSANDSTONEScanning25POROSITYINSANDSTONEScanningElectronMicrographNorphletFormation,OffshoreAlabama,USAPoresProvidetheVolumetoStoreHydrocarbonsPoreThroatsRestrictFlowthroughporesPoreThroat一、巖石的孔隙度POROSITYINSANDSTONEScanning26ClayMineralsinSandstoneReservoirs,AuthigenicKaoliniteSecondaryElectronMicrographCarterSandstoneNorthBlowhornCreekOilUnitBlackWarriorBasin,Alabama,USASignificantPermeabilityReductionHighIrreducibleWaterSaturationMigrationofFinesProblem(PhotographbyR.L.Kugler)殘余自生高嶺土ClayMineralsinSandstoneRes27浸潤(rùn)線流線等勢(shì)線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動(dòng)

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透

二、巖石的滲透性浸潤(rùn)線流線等勢(shì)線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開28

在壓力作用下，巖石允許流體通過的性質(zhì)稱為巖石的滲透性。習(xí)慣上人們常常把那些在地層壓力條件下流體比較容易地沿著連通的孔隙、喉道、裂縫、溶洞流動(dòng)的巖石，例如砂巖、裂縫性碳酸鹽巖稱為滲透性巖石；而把流體難于在其中流動(dòng)的巖石、粘土或頁巖、石膏、巖鹽等稱為非滲透性巖石。但是這種提法是不嚴(yán)格的，因?yàn)橐环矫鏉B透是有條件的，另一方面同一種巖石的滲透能力也是不斷變化的。

二、巖石的滲透性在壓力作用下，巖石允許流體通過的性質(zhì)稱為巖29

最先研究巖石滲濾能力大小這一現(xiàn)象的是法國工程師達(dá)西。他利用人工砂體研究了水的滲濾。達(dá)西的實(shí)驗(yàn)表明人工砂體單位面積水流的體積變化率Q/A與進(jìn)口和出口兩個(gè)端面間的水頭差ΔH成正比，而與砂體的長(zhǎng)度成反比。即：二、巖石的滲透性最先研究巖石滲濾能力大小這一現(xiàn)象的是法國工程30一、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

二、巖石的滲透性一、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研31二、滲透變形滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流土，管涌）

1.流土——在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象

流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時(shí)常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細(xì)砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞二、巖石的滲透性二、滲透變形滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土322.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象

土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞二、巖石的滲透性2.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的33

后來的研究者發(fā)現(xiàn)，達(dá)西定律(Darcy’slaw)可以應(yīng)用于其它流體，把上式中的比例常數(shù)k改寫為k／μ、μ為流體的粘度,k為表征巖石性質(zhì)的系數(shù)，即滲透率。后來經(jīng)進(jìn)一步修正，得到達(dá)西定律(Darcy’slaw)的通式為：二、巖石的滲透性后來的研究者發(fā)現(xiàn)，達(dá)西定律(Darcy’34

上式中：Q為通過孔隙介質(zhì)的流量，厘米3／秒；A為流體通過的橫斷面積，厘米2；μ為流體的粘度，厘泊；k為巖石的滲透率，達(dá)西；dp/dx為單位長(zhǎng)度上的壓力降，大氣壓／厘米。

二、巖石的滲透性上式中：二、巖石的滲透性35

滲透率的單位是達(dá)西，它的物理意義是孔隙介質(zhì)允許粘度為1厘泊的流體，在壓力梯度為1大氣壓／厘米的作用下，通過截面面積為1厘米2的流量為1厘米3／秒，此時(shí)孔隙介質(zhì)的滲透率稱為1達(dá)西。

達(dá)西定律成立的前提條件是：(1)假設(shè)流體與巖石之間不發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)；(2)滲濾介質(zhì)中只存在一種流體。二、巖石的滲透性滲透率的單位是達(dá)西，它的物理意義是孔隙介質(zhì)允36二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力坡降達(dá)西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

密實(shí)的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時(shí)滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系ib起始水力坡降虛直線簡(jiǎn)化達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實(shí)粘土二、巖石的滲透性二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力坡降達(dá)西定律討論：砂土的滲透速37

實(shí)際油藏大多是油水（或氣），甚至是油、氣、水三相共存于孔隙中。注水開發(fā)的油田，油水不僅是共存而且還同時(shí)流動(dòng)。為了研究多相流體在巖石中的滲濾能力與性質(zhì)，引入了絕對(duì)滲透率、有效滲透率和相對(duì)滲透率的概念。

二、巖石的滲透性實(shí)際油藏大多是油水（或氣），甚至是油、氣、水三38

有效滲透率Ke當(dāng)巖石為兩種或多種流體飽和時(shí)，巖石允許其中某種流體滲濾能力的大小。不論此時(shí)其流體流動(dòng)與否。

相對(duì)滲透率Kr巖石的有效滲透率與絕對(duì)滲透率的比值。

絕對(duì)滲透率K巖石完全為某種流體所飽和時(shí)，巖石與流體之間不發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，在壓力作用下巖石允許該種流體所通過能力的大小。（達(dá)西所描述的滲透率）二、巖石的滲透性有效滲透率Ke絕對(duì)滲透率K二39

儲(chǔ)層巖石的孔隙空間中，總是會(huì)有油氣水三相。在油層溫度和壓力下，巖石孔隙空間中的流體是按一定方式分布的。

儲(chǔ)集層巖石的孔隙中，某種流體占據(jù)孔隙空間的體積百分?jǐn)?shù)，稱為該流體的飽和度。三、巖石中的油氣水飽和度儲(chǔ)層巖石的孔隙空間中，總是會(huì)有油氣水三相。40

若儲(chǔ)集層的孔隙中只含有油和水兩相，油和水所占據(jù)的孔隙空間分別為Vo、Vw，巖石的孔隙度為φ，巖石中的孔隙總體積為Vp，巖石的總體積為Vb，則含油飽和度So和含水飽和度Sw分別為：S0=Sw=三、巖石中的油氣水飽和度若儲(chǔ)集層的孔隙中只含有油和水兩相，油和水所占41

且有：So+Sw=1若儲(chǔ)集層中，除含油和水外，還含有氣體，則含氣飽和度為：

Sg=

此時(shí)，油氣水的飽和度應(yīng)滿足：

So＋Sw＋Sg＝1三、巖石中的油氣水飽和度且有：So+Sw=1三、巖石中的油氣水42

儲(chǔ)層巖石中的含油飽和度和含水飽和度在油田的勘探開發(fā)過程中具有十分重要的作用，在油田的儲(chǔ)量計(jì)算、油田動(dòng)態(tài)分析、注水驅(qū)油效率的研究、油田剩余儲(chǔ)量的利用以及提高最終采收率方面，它們都是不可缺少的參數(shù)。

三、巖石中的油氣水飽和度儲(chǔ)層巖石中的含油飽和度和含水飽和度在油田的勘43巖石的粒度組成是指構(gòu)成巖石的各種大小不同的顆粒含量，以百分?jǐn)?shù)表示。粒度組成的通用分析方法是篩分析法。即采用孔徑不同的一系列篩子將巖心顆粒按大小分成數(shù)組，然后稱量每組的質(zhì)量即可得到每個(gè)粒度范圍內(nèi)的質(zhì)量百分比。篩孔的表示法通常是按每英寸長(zhǎng)的孔數(shù)來表示的，稱為目。對(duì)于粒度小于0.074-0.053mm的細(xì)粒，一般用沉降分析法確定。

四、巖石的粒度組成與比表面積巖石的粒度組成是指構(gòu)成巖石的各種大小不同的顆粒44篩分法用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事先稱過質(zhì)量的烘干土樣過篩，稱出留在各篩上的土質(zhì)量，然后計(jì)算其占總土粒質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)

四、巖石的粒度組成與比表面積篩分法用一套孔徑不同的篩子，按從上至下篩孔逐漸減小放置。將事45比重計(jì)法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒徑的土粒含量

四、巖石的粒度組成與比表面積比重計(jì)法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同來確定小于某粒46顆粒粒徑級(jí)配曲線縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐標(biāo)表示土粒的粒徑(對(duì)數(shù)坐標(biāo)）

四、巖石的粒度組成與比表面積顆粒粒徑級(jí)配曲線縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土粒含量百分比,橫坐47顆粒級(jí)配的描述工程上常用不均勻系數(shù)Cu描述顆粒級(jí)配的不均勻程度d10、d30、d60小于