儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)(中國石油大學(xué))-3儲(chǔ)層的主要物理性質(zhì)

儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)——儲(chǔ)層的主要物理性質(zhì)

重點(diǎn)討論沉積巖油氣儲(chǔ)層的物理性質(zhì)。

儲(chǔ)層的主要物理性質(zhì)有：孔隙度、滲透率、飽和度、巖石的比表面。一、孔隙度（一）孔隙度的概念及類型1、概念巖石中顆粒之間、基質(zhì)之間或其內(nèi)部的空穴或間隙統(tǒng)稱為孔隙。一般采用孔隙度表示巖石中孔隙的發(fā)育程度，它是巖石中孔隙體積與巖石總體積的比值，以百分?jǐn)?shù)（%）表示。孔隙度是衡量巖石儲(chǔ)存流體能力的參數(shù)。2、類型

根據(jù)巖石中孔隙儲(chǔ)存流體的方式及連通性的不同，可以分為三種形式：以下三類孔隙度具有依次逐漸變小的特征。（1）總孔隙度或絕對(duì)孔隙度

巖石中總孔隙體積與該巖石總體積之比。（2）連通孔隙度或有效孔隙度

巖石中能夠儲(chǔ)集和滲濾流體的連通孔隙體積與巖石總體積之比。巖石中的孔隙相互連通時(shí)才有可能發(fā)生流體的運(yùn)移。連通孔隙度不包括巖石的死孔隙的孔隙度。在一般壓力條件下可允許流體在其中流動(dòng)。在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及儲(chǔ)量計(jì)算中，一般多采用連通孔隙度作為參數(shù)參與計(jì)算。（3）流動(dòng)孔隙度與巖石中流動(dòng)著的流體體積相等的孔隙總體積與巖石總體積的比值。流動(dòng)孔隙度不包括無效孔隙、微毛細(xì)管孔隙及巖石顆粒表面上液體薄膜的體積。其孔隙度隨地層壓力梯度液體的物理—化學(xué)性質(zhì)而變化。（二）裂隙（縫）度

單位體積巖石中張開裂隙體積與該單位巖石體積之比，以百分?jǐn)?shù)（%）表示。一般小于1%，很少超過6%。在碳酸鹽巖等儲(chǔ)層中裂隙對(duì)油氣產(chǎn)能起著重要的控制作用。

裂隙在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中既可做為儲(chǔ)集空間，更重要的是作為油氣滲流的通道。（三）孔隙度的影響因素1、分選性、粒度對(duì)碎屑巖及碎屑結(jié)構(gòu)儲(chǔ)集巖的孔隙度有明顯的影響（1）分選愈差，基質(zhì)充填孔隙與喉道，使孔隙度明顯降低。（2）如分選系數(shù)大于2時(shí)，各種粒徑的砂巖孔隙度均隨分選系數(shù)增大而迅速下降；反之，粗粒及極細(xì)粒砂巖的孔隙度基本不變，但中粒、細(xì)粒砂巖則有緩慢的下降。2、顆粒磨圓度對(duì)儲(chǔ)集巖孔隙度的影響

磨圓好的砂巖，分選性好，孔隙度相對(duì)較大。3、顆粒的填集作用對(duì)儲(chǔ)集巖孔隙度的影響

目前尚不能直接測(cè)定，一般將碎屑顆粒簡化為等大球體并假定顆粒呈規(guī)則對(duì)稱排列，通過數(shù)學(xué)方式即可求取不同填集類型的碎屑巖的孔隙度。如：立方形填集等大球體的孔隙度為47.6%，斜方填集的孔隙度為39.5%,菱面體填集的孔隙度為26%。單元格子總體積減少，孔隙體積也減少。4、成巖作用對(duì)儲(chǔ)集巖孔隙度的影響（1）壓實(shí)作用的影響在壓實(shí)過程中由于顆粒重新填集，可以使原始孔隙度降低10%以上。（2）膠結(jié)作用的影響早成巖階段的薄邊或環(huán)邊膠結(jié)作用，因膠結(jié)物數(shù)量不多，孔喉未被其填滿，因而僅導(dǎo)致巖石孔隙度的一定降低；以自生加大方式形成的連晶膠結(jié)物，常造成巖石孔隙度的急劇減低；當(dāng)其數(shù)量多并逐漸加大形成膠結(jié)物晶體間的鑲嵌接觸時(shí)，使巖石孔隙近于消失。（3）溶蝕作用的影響

溶蝕作用形成溶孔、溶溝，使巖石中裂隙溶蝕擴(kuò)大成為溶縫或洞穴孔隙?？偟内厔?shì)是使巖石的孔隙度增加。二、滲透率（一）滲透率的概念及類型1、概念

在有壓力差的情況下，巖石本身允許流體通過的性能稱為巖石的滲透性。一般以滲透率來表示巖石的滲透性。它是巖石傳遞流體能力的一種度量。當(dāng)單相流體通過孔隙介質(zhì)呈層流狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，服從于達(dá)西線性滲濾定律。2、類型（1）絕對(duì)滲透率

巖石為某種流體100%飽和，而且與流體之間不發(fā)物理—化學(xué)反應(yīng)，在壓力作用下巖石容許該種流體通過能力的大小。（2）相滲透率或有效滲透率

當(dāng)巖石為兩種或多種流體飽和時(shí)，對(duì)其中一種流體所測(cè)得的滲透率。表示巖石允許某種流體通過的能力。（3）相對(duì)滲透率

飽和多相流體的巖石中，每一種或某一種流體的有效滲透率與該巖石的絕對(duì)滲透率的比值。（二）碳酸鹽巖的滲透率1、碳酸鹽巖總滲透率和滲透率貢獻(xiàn)值2、利用巖心資料計(jì)算裂隙滲透率3、帕森斯的碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖裂隙滲透率公式（三）滲透率的影響因素

主要影響因素：粒度和分選，有正相關(guān)性。研究資料：結(jié)晶石灰?guī)r和白云巖的粒徑大于0.5mm時(shí)，隨粒徑增大，滲透率有增大的趨勢(shì)。（四）孔隙度與滲透率的關(guān)系1、不同儲(chǔ)集巖類型中孔隙度與滲透率的關(guān)系（1）碎屑巖中，兩者有很好的相關(guān)性。（2）碳酸鹽巖中，兩者也存在某種相關(guān)關(guān)系，但在裂縫和溶洞發(fā)育時(shí)，兩者之間又沒有很好的相關(guān)性。2、孔隙度與滲透率的相關(guān)性的影響因素

主要受巖石結(jié)構(gòu)特征的影響，如：孔隙的幾何形狀、大小、分布等，控制孔隙度和滲透率的變化。三、飽和度（一）飽和度的概念儲(chǔ)集巖中為某種流體所占據(jù)的總孔隙體積百分?jǐn)?shù)（%）稱作此種流體的飽和度。有含油飽和度、含水飽和度、含氣飽和度三種類型。（二）原始含油飽和度與束縛水飽和度或含水飽和度1、原始含油飽和度油藏開發(fā)前，所測(cè)得的油層巖石孔隙空間中原油體積與巖石孔隙體積的比值。2、束縛水飽和度

束縛水又稱殘余水，因此，束縛水飽和度實(shí)際是不可降低的水飽和度或平衡飽和度。（三）殘余（剩余）油飽和度與自由水飽和度1、殘余（剩余）油飽和度在油層內(nèi)處于不可流動(dòng)狀態(tài)的那一部分油，其所占總孔隙體積百分?jǐn)?shù)。2、自由水飽和度在注水開發(fā)油田，含水百分?jǐn)?shù)不斷上升，其變化的含水飽和度稱之為自由水飽和度。3、含水飽和度與孔隙度、滲透率等參數(shù)間的關(guān)系關(guān)系較為密切。四、巖石的比表面1、概念

單位體積巖石中所有顆粒的總表面積。是度量巖石顆粒分散程度的物理參數(shù)。顆粒越細(xì)，比表面越大。2、巖石比表面的計(jì)算沙姆韋和伊格曼提出的沉積物的顆粒比表面積估算圖儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)——儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)一、孔隙結(jié)構(gòu)的基本概念1、孔隙空間是儲(chǔ)集巖的重要組成部分之一。2、巖石中除顆粒、基質(zhì)、膠結(jié)物、交代以及自生礦物之外的空間可統(tǒng)稱為空隙空間。相對(duì)較大的空間稱為孔隙，將兩個(gè)孔隙聯(lián)結(jié)起來的相對(duì)較小的空間稱為喉道。3、孔隙結(jié)構(gòu)：巖石中孔隙和喉道的幾何形狀、大小及其相互連通和配置關(guān)系。4、儲(chǔ)集巖儲(chǔ)滲特性的關(guān)鍵因素：喉道的大小、分布、幾何形態(tài)及連通狀況。二、砂巖儲(chǔ)集巖的孔隙與喉道類型以及孔隙結(jié)構(gòu)特征（一）砂巖儲(chǔ)集巖的孔隙類型1、原生孔隙是巖石沉積過程中形成的孔隙。形成后沒有遭受過溶蝕或膠結(jié)等重大成巖作用的改造。（1）粒間孔隙發(fā)育于顆粒支撐碎屑巖的碎屑顆粒之間的孔隙。具有孔隙大、喉道較粗、連通性好以及儲(chǔ)滲條件好的特征，是最重要的有效儲(chǔ)集孔隙類型。（2）基質(zhì)內(nèi)微孔隙包括成巖收縮作用或粘土礦物重結(jié)晶作用形成的粒間（或晶間）微孔隙?？讖揭话阈∮?.2um。（3）礦物解理縫

長石、方解石、白云石、云母等解理發(fā)育的礦物等均具有解理縫?？p寬大多小于0.1um。（4）紋理及層理縫

砂巖、粉砂巖中常發(fā)育。使巖石的滲透率具有方向性的變化。2、次生孔隙

巖石經(jīng)成巖作用改造后產(chǎn)生的孔隙，最主要類型有：溶蝕孔隙，還有少量交代作用和膠結(jié)作用形成的晶間孔隙。（1）溶蝕孔隙巖石中的碳酸鹽、硫酸鹽、鋁硅酸鹽（長石）以及其他易溶組分在酸性孔隙水的作用下，部分或全部發(fā)生溶蝕后形成的孔隙。常見類型：非組構(gòu)性溶孔：不受顆粒邊界限制，一般呈不規(guī)則狀，孔隙邊緣的碎屑、顆粒常被溶蝕成港灣狀，可成為比鄰近碎屑大得多的超大孔隙。溶膜孔隙（鑄膜孔隙）：巖石中的碎屑、顆粒、粒間膠結(jié)物或基質(zhì)，當(dāng)其中任一類組分被選擇溶蝕后形成的孔隙，以及其中的任一類組分被易溶礦物交代后再被溶蝕形成的孔隙。粒內(nèi)溶孔：巖石中碎屑內(nèi)形成的溶蝕孔隙。晶內(nèi)溶孔：礦物碎屑或礦物晶體內(nèi)的溶蝕孔隙。如：長石碎屑在強(qiáng)烈溶蝕作用下產(chǎn)生蜂窩狀溶孔。膠結(jié)物內(nèi)溶孔：不規(guī)則溶孔。基質(zhì)內(nèi)溶孔：選擇性溶蝕基質(zhì)形成的溶孔。（2）次生加大膠結(jié)物晶間孔隙。石英次生加大膠結(jié)作用普遍。（3）縮小的粒間孔隙

因?yàn)轭w粒變形、化學(xué)壓實(shí)作用、粒間基質(zhì)的收縮作用、粒間未充填滿的膠結(jié)作用，以及上述次生加大膠結(jié)作用等原因造成。（4）擴(kuò)大的粒間孔隙

碎屑顆粒邊緣的溶蝕，早期膠結(jié)物、次生加大膠結(jié)物及其交代礦物的局部溶蝕，以及顆粒骨架的收縮作用形成的孔隙。（5）膠結(jié)物晶間微孔隙

膠結(jié)物晶體之間的孔隙。（6）貼粒縫

是一種沿顆粒邊緣溶蝕形成的線形孔縫。3、裂縫孔隙

由構(gòu)造應(yīng)力及巖收縮作用形成。（1）構(gòu)造裂縫

巖石受構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂縫。（2）成巖裂縫

成巖收縮作用產(chǎn)生干縮裂隙即干裂和脫水收縮裂隙以及壓溶作用產(chǎn)生的壓溶縫合線等。（二）砂巖儲(chǔ)集巖中次生孔隙的鑒定標(biāo)志（三）砂巖儲(chǔ)集巖的喉道類型

喉道是孔隙中相對(duì)較小的、局限在兩個(gè)顆粒之間連通的狹窄空間部分。（1）喉道是孔隙的縮小部分

發(fā)育在原生粒間孔隙和擴(kuò)大的粒間孔隙的砂巖儲(chǔ)集巖中。特征：大孔、粗喉、孔喉直徑比接近1：1，孔隙幾乎都是有效的。（2）喉道是可變斷面收縮部分特征：大或較大孔、細(xì)喉、孔喉直徑比大，與部分極細(xì)喉道連接的孔隙可能是無效的。因而具有高孔、低滲的特點(diǎn)。（3）片狀喉道和彎片狀喉道特征：小孔及細(xì)喉，喉道寬度一般小于1um，個(gè)別的有幾十微米，其孔喉比由中等到較大。（4）管束狀喉道缺乏原生粒間孔隙，在基質(zhì)及膠結(jié)物中發(fā)育許多叉狀微毛細(xì)管狀微孔隙?？讖揭话阈∮?.5um，本身既是孔隙又是喉道。三、碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖的孔隙與喉道類型以及孔隙結(jié)構(gòu)特征（一）碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖的孔隙分類碳酸鹽巖儲(chǔ)層特點(diǎn)：巖石類型復(fù)雜，次生孔隙發(fā)育，具有孔隙和裂縫兩類空間系統(tǒng)，物性參數(shù)多變。1、喬魁特和普萊的碳酸鹽巖孔隙成因分類分為3大類15種基本類型。2、根據(jù)碳酸鹽巖儲(chǔ)滲條件的孔隙分類

主要考慮儲(chǔ)層孔隙對(duì)流體的儲(chǔ)集與滲濾影響，采用根據(jù)空隙空間的形狀和大小分為孔、洞、縫三類：（1）孔孔徑小于2mm，巖石中細(xì)小的孔隙。（2）洞直徑大于2mm，但大小極為懸殊。（3）縫裂縫，一般為伸長形，大小不一，多數(shù)不受組構(gòu)控制，可分成巖縫、構(gòu)造縫。（二）碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖的主要孔隙類型1、原生孔隙（1）受組構(gòu)控制的原生孔隙粒間孔隙：顆粒支撐的巖石粒內(nèi)孔隙：沉積前或沉積時(shí)粒（晶）間孔隙：紋理及層理縫：解理縫：遮蔽孔隙：長形生物殼或殼體碎片或長條形礫屑沉積后，對(duì)其下覆沉積物起遮蔽作用。生物骨架孔隙：（2）非組構(gòu)控制的原生孔隙窗格孔隙或鳥眼孔隙：一般呈扁平狀平行文理或?qū)永矸植肌Ｊ湛s孔（裂）隙：沉積物失水收縮而形成。2、次生孔隙（1）受組構(gòu)控制的次生孔隙粒間溶孔：顆粒間膠結(jié)物或灰泥基質(zhì)被溶蝕而形成。溶膜孔隙：顆粒組分發(fā)生選擇性溶蝕作用時(shí)形成。晶間孔隙：白云石化晶間孔隙。膠結(jié)物晶孔隙：晶間溶孔：粒內(nèi)溶孔：顆粒內(nèi)局部溶蝕形成。晶內(nèi)溶孔：沿解理發(fā)生溶蝕而形成的微孔。（2）非組構(gòu)控制的次生孔隙（溶）溝：晶間隙或粒間隙溶蝕擴(kuò)大后形成的一個(gè)溝形通道。溶縫：微裂縫被溶蝕擴(kuò)大而形成的縫隙。溶洞孔隙：溶穴孔隙：裂縫孔隙：（3）原生或次生成因的孔隙角礫孔隙：角礫灰?guī)r發(fā)育原生沉積的礫間孔隙。潛穴孔隙：生物掘穴形成的孔隙。鉆孔孔隙：（三）喉道類型1、顆粒碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖的喉道類型與砂巖儲(chǔ)集巖的類似。2、基塊中的喉道類型（1）管狀喉道

孔隙間由細(xì)而長的管狀喉道相連，其斷面近于圓形。（2）孔隙內(nèi)縮小部分組成喉道

孔喉分界不明顯。（3）片狀喉道

白云巖中的晶間孔隙大多為四面體至多面體孔隙，在其晶粒之間形成片狀喉道。（四）碳酸鹽巖儲(chǔ)集巖中的孔隙結(jié)構(gòu)捷奧多羅維奇根據(jù)孔隙的大小、形狀和相互連通關(guān)系的分類：1、孔隙空間由孔隙及相當(dāng)于孤立的近乎狹窄的連通喉道組成。（2）孔隙空間的縮小部分為連通喉道，喉道變寬即成孔隙。（3）孔隙由細(xì)?？紫缎赃B通帶所連通（4）孔隙系統(tǒng)在白云巖的主體或膠結(jié)物的顆粒之間發(fā)育，孔隙大部分反映了顆粒外形（粒間孔隙）。（5）孔隙主要由裂縫組成。（6）由兩種以上基本孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成。四、毛細(xì)管壓力研究儲(chǔ)集巖孔隙結(jié)構(gòu)（1）方法：毛細(xì)管壓力法、鑄體薄片法、掃描電鏡法、C-T掃描法和圖像分析法。（2）儲(chǔ)集巖的孔隙系統(tǒng)極為復(fù)雜，飽含油氣、水的巖石具有顯著的毛細(xì)管現(xiàn)象。（3）毛細(xì)管壓力測(cè)定：離心機(jī)法、半滲透遮蔽法、烝氣壓力法及壓汞法。（一）壓汞法研究孔隙結(jié)構(gòu)的基本原理1、原理采用壓汞法注入水銀，因水銀為潤濕相液體，欲進(jìn)入巖石孔隙系統(tǒng)并將其所含流體排驅(qū)出去，必須克服表面張力所產(chǎn)生的毛細(xì)管阻力?？刂扑y進(jìn)入孔隙系統(tǒng)的是喉道大小，而不是孔隙大小。2、計(jì)算公式喉道的大小可通過毛細(xì)管力求得。公式特點(diǎn)：（1）根據(jù)平衡壓力計(jì)算相應(yīng)孔隙、喉道大??；（2）平衡壓力下進(jìn)入孔隙系統(tǒng)的水銀體積，對(duì)應(yīng)孔隙喉道的孔隙體積；（3）孔隙喉道越大，毛細(xì)管阻力越小，注入水銀所需壓力也越小。水銀飽和度的計(jì)算公式：因此，在壓汞儀中漸次增加排驅(qū)壓力及與其對(duì)應(yīng)的注入水銀數(shù)量，即可測(cè)得與它們相對(duì)應(yīng)的為一定大小的喉道所連通的孔隙體積。（二）毛細(xì)管壓力曲線的解釋與應(yīng)用1、毛細(xì)管壓力曲線的特征（1）坐標(biāo)特點(diǎn)：采用半對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)，縱坐標(biāo)使用半對(duì)數(shù)值，將儲(chǔ)集巖的粗孔部分放寬，細(xì)孔部分縮短，便于確定毛細(xì)管壓力的各種參數(shù)。（2）曲線形態(tài)：單一臺(tái)階式、多臺(tái)階式或不規(guī)則形等，主要取決于孔隙分布歪度（或斜偏度）以及孔隙的分選性等因素。（3）歪度及分選特征歪度：孔喉分布中以粗孔喉為主還是以細(xì)孔喉為主。偏于粗孔喉的稱為粗歪度，反之，為細(xì)孔歪度?？缀矸诌x性：反映孔喉大小分布的均一程度。呈水平平臺(tái)表明分選好，分選差則呈斜線。2、毛細(xì)管壓力曲線圖中的定量數(shù)值（1）排驅(qū)壓力（Pd）是評(píng)價(jià)儲(chǔ)滲性能的重要參數(shù)之一；又稱門檻壓力或入口壓力。是非潤濕相流體連續(xù)地進(jìn)入巖樣驅(qū)替孔隙中潤濕相流體的壓力，一般表示孔隙系統(tǒng)中最大連通孔喉所對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管壓力。

與排驅(qū)壓力值相對(duì)應(yīng)的就是最大連通孔隙喉道半徑（rd）。在分選差的毛細(xì)管壓力曲線圖中的確定排驅(qū)壓力，應(yīng)將曲線的初始拐點(diǎn)（或突變點(diǎn)）的水平位置定為排驅(qū)壓力。

與排驅(qū)壓力相對(duì)應(yīng)的曲線平坦部分所占飽和度的百分?jǐn)?shù)，即SAB線段越大，斜率角越小，則最大連通的孔隙喉道的集中程度越高，巖石的孔隙結(jié)構(gòu)越均勻。（2）飽和度中值毛細(xì)管壓力（PC50）和飽和度中值喉道半徑（r50）

飽和度中值毛細(xì)管壓力（PC50）是非潤濕相飽和度為50%時(shí)相對(duì)應(yīng)的注入曲線的毛細(xì)管壓力，與其對(duì)應(yīng)的喉道半徑即為飽和度中值喉道半徑（r50）。物性越好，PC50越低，r50越大。飽和度中值毛細(xì)管壓力（PC50）是判斷儲(chǔ)集巖產(chǎn)能的標(biāo)志，PC50越小，表示巖石對(duì)油氣的滲濾能力越好；反之，PC50越大，巖石越致密，產(chǎn)能越低。（3）最小非飽和的孔隙體積百分?jǐn)?shù)注入壓力達(dá)到最高時(shí)，沒有被水銀侵入的孔隙體積百分?jǐn)?shù)（Smin%），表示最高壓力所對(duì)應(yīng)的以及比它更小的孔隙喉道半徑的孔隙體積占整個(gè)巖樣孔隙體積的百分?jǐn)?shù)，Smin%越小，小孔隙所占體積越多。Smin%與巖石潤濕性有關(guān)：巖石水濕，水將占據(jù)很細(xì)小的孔隙和喉道，Smin%就是水飽和度；巖石油濕，油占據(jù)細(xì)小的孔隙和喉道，并將成為不能采出的殘余油，而不是束縛水。（4）平均毛細(xì)管壓力和“J”函數(shù)平均毛細(xì)管壓力：壓力從0—最大區(qū)間的平均值。平均毛細(xì)管壓力所對(duì)應(yīng)的半徑為平均喉道半徑?！癑”函數(shù)：萊弗特提出的，用來表征平均毛細(xì)管壓力，能反映整個(gè)油氣層的毛細(xì)管平均壓力。3、應(yīng)用毛細(xì)管壓力—飽和度曲線確定孔隙、喉道大小和分布確定不同等級(jí)的孔隙喉道體積占總孔隙體積的百數(shù)。（1）孔隙喉道的頻率直方圖直觀、方便對(duì)比（2）孔隙喉道的頻率分布曲線及累積頻率分布曲線特點(diǎn)：用柱狀中心聯(lián)成平滑的曲線。五、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（一）反映喉道大小的參數(shù)以壓汞法測(cè)得的曲線為基礎(chǔ)，1、最大連通孔喉半徑（rd）2、孔喉中值（D50）累積頻率分布圖上