油層物理第一章

油層物理第一章第一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三油層物理總學(xué)時：40講課：40主講人：閆文華單位：石油工程系滲流物理教研室第二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三不許遲到早退，有事拿正式假條請假，其它無效；提前五分鐘到教室，凡遲到者，按曠課處理；請按時交作業(yè)，不交或遲交三次者不得參加考試；上課請注意聽講，有不明白的地方及時舉手發(fā)問；請注意保持黑板及地面清潔；交作業(yè)時間為周四上課前；課堂紀(jì)律及要求第三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

油層物理是研究儲層巖石、巖石中的流體（油、氣、水）以及流體在巖石微小孔道中滲流機(jī)理的一門學(xué)科。

1.什么是油層物理油層是指儲存原油的地層。它包括儲存原油的巖石和巖石中的流體兩部分。油藏：是指單一圈閉中具有同一壓力系統(tǒng)的油的聚積。它可以看成是地下獨(dú)立的儲油容器，具有獨(dú)立的水動力學(xué)系統(tǒng)。一個油藏可由一個或幾個油層組成。油田：一般從行政管理角度定義，指同一范圍內(nèi)的油氣藏總和。緒論一.油層物理的研究內(nèi)容第四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.研究內(nèi)容（2）儲層流體的物理性質(zhì)

研究存儲在巖層孔隙中的油、氣、水在高壓下的物理性質(zhì)；以及油、氣、水的相態(tài)變化規(guī)律。（3）油藏巖石中多相流體的滲流特性

研究巖石孔隙內(nèi)表面和油、氣、水相互作用的物理和物理化學(xué)性質(zhì)以及油、氣、水沿極其微小的迂回孔道流動的基本滲流特性。如潤濕性、吸附、毛管壓力曲線、相對滲透率等。（4）提高原油采收率的方法

研究油氣水和巖石的特性對原油采收率的影響，探討降低油藏中殘余油的各種途徑和方法。如改型水驅(qū)、混相驅(qū)、熱力采油等。（1）儲層巖石的物理性質(zhì)研究巖石的固體骨架性質(zhì)。如粒度組成、比面，儲液性、可滲性等等。第五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三1933年，美國人G.H.法奇等人首先進(jìn)行了油層物理方面的研究，研究了流體性質(zhì)和測試技術(shù)；1934年，R.D.烏索夫和M.馬斯蓋特等在達(dá)西定律基礎(chǔ)上研究了測量巖樣滲透率的方法；1935年，R.J.薛爾紹斯研究了井底取樣器和測量樣品物理性質(zhì)的方法。測量項(xiàng)目包括：壓力-體積-溫度之間的關(guān)系，飽和度、飽和壓力、油中的溶解氣量、原油由于氣體的分離而導(dǎo)致的伸縮等。二.油層物理的發(fā)展歷史油層物理是隨著油氣田的開發(fā)和發(fā)展而形成并獨(dú)立出來的一門學(xué)科。自1859年和1860年美國和俄國等主要產(chǎn)油國先后開始采油以來，油田開發(fā)和開采的歷史有一百多年了。開始時人們對油層的認(rèn)識很膚淺。到了30年代人們經(jīng)過漫長的實(shí)踐、摸索和研究，對油藏有了初步的認(rèn)識，油層物理學(xué)開始有了很大的發(fā)展。第六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三在我國五十年代就有專門從事油層物理研究的專業(yè)技術(shù)人員，在原北京石油學(xué)院首次開設(shè)了油層物理課程，培養(yǎng)了相應(yīng)研究生。60年代從采油工程中分離出來，大慶油田的開發(fā)使我國油層物理學(xué)科有了進(jìn)一步發(fā)展。華東石油學(xué)院的張朝琛編寫了《油層物理》一書，但沒有正式出版。隨著各類油田的開發(fā)與開采，油田的研究單位都相應(yīng)地建立了有關(guān)油層物理的各類實(shí)驗(yàn)室，開展了油層物理各個領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，同時也進(jìn)行了各自油田的現(xiàn)場試驗(yàn)研究以及不同方法提高原油采收率的試驗(yàn)研究。1949年，美國的M.馬斯蓋特寫了《采油物理原理》，匯總了當(dāng)時油層物理技術(shù)，為該學(xué)科形成打下基礎(chǔ)。50年代，前蘇聯(lián)莫斯科石油學(xué)院卡佳霍夫教授寫了《油層物理基礎(chǔ)》書，標(biāo)志著這一學(xué)科的形成，并且從采油工程學(xué)科中分離出來。第七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三80年，華東石油學(xué)院，洪世鐸《油藏物理基礎(chǔ)》；84年，武漢地質(zhì)學(xué)院，張博金《油氣層物理學(xué)》；85年，成都地質(zhì)學(xué)院，羅蟄潭《油層物理》；91年，西南石油學(xué)院，何更生《油層物理》；92年，我們學(xué)院根據(jù)大慶油田特點(diǎn)，編寫了這本書。油層物理已成為我國石油工程專業(yè)中不可缺少的重要學(xué)科，隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展，它必將在我國油田開發(fā)和開采工作中起著越來越重要的作用。而且，隨著深層油藏、碳酸鹽油藏、低滲透油藏、稠油油藏以及凝析氣藏等各類油（氣）藏的開發(fā)，將不斷給油層物理學(xué)科提出新的研究課題，經(jīng)過不斷努力，油層物理學(xué)科將不斷完善和發(fā)展。第八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三三.油層物理課程的性質(zhì)及與其它課的關(guān)系

油層物理學(xué)是高等石油院校石油工程專業(yè)、石油地質(zhì)專業(yè)及油田化學(xué)等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它既要運(yùn)用到許多基礎(chǔ)理論，又在專業(yè)上有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用。因此，學(xué)習(xí)這門課除了要具備數(shù)、理、化基礎(chǔ)知識外，普通地質(zhì)、巖石學(xué)、物理化學(xué)以及流體力學(xué)等都是學(xué)習(xí)油層物理應(yīng)具備的基礎(chǔ)。另一方面，在滲流力學(xué)、油藏?cái)?shù)值模擬、油氣田開發(fā)、采油工程、油田應(yīng)用化學(xué)以及提高油氣采收率技術(shù)、油層保護(hù)、現(xiàn)代試井等課程的許多方面，都要以它為基礎(chǔ)進(jìn)行廣泛的論述和應(yīng)用。此外，油層物理學(xué)又是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，其實(shí)踐性很強(qiáng)。從事大量的實(shí)驗(yàn)研究，也是油層物理學(xué)研究的一大特點(diǎn)。第九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三四.參考書1.《油層物理》羅蟄潭主編地質(zhì)出版社1985年；2.《油層物理》何更生編西南石油學(xué)院1991年；3.《油藏物理》洪世鐸編石油工業(yè)出版社1985年；4.《油氣層物理學(xué)》張博金編武漢地質(zhì)學(xué)院1984年。第十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三課前用一定的時間預(yù)習(xí)；上課注意作筆記，特別注意教師對概念的解釋；課后按時復(fù)習(xí)及做作業(yè)；認(rèn)真上好實(shí)驗(yàn)課，做到理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合；及時答疑，不要把問題積累在一起。五、本課程的學(xué)習(xí)方法.第十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三寄語

由于油層物理課的前后聯(lián)系非常緊密，如果前面的內(nèi)容掌握不好，對后續(xù)內(nèi)容的理解就會產(chǎn)生不利的影響；而后面內(nèi)容的學(xué)習(xí)，又會對前面內(nèi)容的理解產(chǎn)生加深的作用。因此，希望同學(xué)們在前期努力學(xué)習(xí)，闖過了入門這一關(guān)，后面的學(xué)習(xí)就容易多了。祝愿同學(xué)們學(xué)習(xí)進(jìn)步！第十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

第一章

儲層巖石的物理性質(zhì)儲層巖石的粒度組成和比面儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙度儲層巖石的滲透率滲透率和其它巖石物性關(guān)系儲層的流體飽和度第十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)儲層巖石粒度組成和比面巖石的粒度組成和比面是反映巖石骨架構(gòu)成的最主要指標(biāo)，也是劃分儲層、評價儲層的重要物性參數(shù)。一、巖石的粒度組成

1、粒度、粒度組成粒度組成是指構(gòu)成巖石的各種大小不同的顆粒的含量，通常以百分?jǐn)?shù)表示。粒度組成是儲層巖石的一個重要特性。儲層巖石的許多性質(zhì)，如孔隙度、滲透率、密度、比面、表面性質(zhì)等都與它有關(guān)，在地質(zhì)上根據(jù)粒度組成可以判斷地層沉積的地質(zhì)和古地理?xiàng)l件。

2、分析方法定義：采用一定的機(jī)械的或物理的方法測定出巖石中不同大小顆粒的含量。第十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三巖石的粒度組成通常采用篩析法和水力沉降法來分析。

（1）篩析法：主要用于砂巖分析原理：用成套篩子對搗碎巖石顆粒進(jìn)行篩析（適用于直徑0.05mm以上的顆粒組分），按不同的粒級將它們分開。篩子的篩孔有兩種表示方法：一種是以英制每英寸長度上篩孔數(shù)表示，稱為目或號；另一種則是以毫米直徑來表示篩孔孔眼的大小。此外，成套篩子的孔眼大小有一定的規(guī)定，例如，鄉(xiāng)鄰的兩級篩孔孔眼大小可相差或的級差。

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行篩析時，一般都采用細(xì)金屬絲編成的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行。把選用的篩子按篩孔大小從大到小排列好，取處理好的砂子50g放入最上面的篩子中，開動振篩機(jī)振動15分鐘。取下篩子，把每個篩子中的顆粒小心地倒到紙上，逐份稱量，算出重量百分?jǐn)?shù)和累積重量百分?jǐn)?shù)。第十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（2）水力沉降法：主要用于粉沙巖和泥質(zhì)粉沙巖分析原理：基于大小不同的顆粒在粘性液體中沉降速度不同進(jìn)行分離的原理。第十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三顆粒直徑大小可按照斯托克斯公式計(jì)算，即式中：d:顆粒直徑，cm;g:重力加速度，981cm/s2

r:液體的運(yùn)動粘度，cm2/s;ρs:顆粒密度，g/cm3；ρl:液體密度，g/cm3；v:顆粒的運(yùn)動速度，cm/s。公式推導(dǎo)：設(shè)顆粒為球形，勻速下降，則受力平衡，合力為0。將以上各式代入G-F-f=0，則可導(dǎo)出斯托克斯公式。第十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三在推導(dǎo)該公式時，斯托克斯曾作了一些假設(shè)：①假設(shè)顆粒為球型；②顆粒在粘性和不可壓縮液體中運(yùn)動，十分緩慢；③顆粒堅(jiān)硬，且表面光滑；④顆粒沉降以常速進(jìn)行；⑤在運(yùn)動著的顆粒與分散介質(zhì)之間界面上，不發(fā)生滑動。雖然有這些假設(shè)，但該公式對實(shí)際應(yīng)用來說，仍具有足夠的精度。當(dāng)顆粒直徑為50～100μm時，有足夠的精度。注意：篩析法和水力沉降法所求得的粒徑并不是定值而是一個范圍。平均粒徑可用下式求得：式中：：顆粒的平均直徑：分別為相鄰的兩層篩子的孔眼直徑。第十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三3、粒度組成的表示方法（1）數(shù)字列表法第十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（2）作圖法a.粒度組成分布曲線（1）曲線表示了各種粒徑的顆粒所占的百分?jǐn)?shù)，可用它來確定任一粒級在巖石中的含量；（2）曲線尖峰的位置表示含量最多的顆粒直徑的大?。唬?）曲線的尖峰越高顆粒分布越均勻，說明該巖石以某一粒徑顆粒為主；（4）曲線尖峰越靠右，說明巖石顆粒越粗。b.粒度組成累積分布曲線一般儲油砂巖顆粒的大小均在1～0.01mm之間。第二十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三4、粒度參數(shù)

(1)粒度中值(d50)：在累積分布曲線上相應(yīng)累積重量百分?jǐn)?shù)為50%的顆粒直徑。(2)不均勻系數(shù)n：指累積分布曲線上某兩個重量百分?jǐn)?shù)所代表的顆粒直徑之比值。常用累積重量60%的顆粒直徑d60與累積重量10%的顆粒直徑d10之比，即：S=1~1.5，分選好；S=2.5~4.5，分選中等；S＞4.5，分選差。a.歐美國家常以累積重量25%、50%、75%三個特征點(diǎn)，將累積曲線劃分為四段，然后按特拉斯克方程求出分選系數(shù)，即：(3)分選系數(shù)：代表碎屑物質(zhì)在沉積過程中的分選的好壞。即表示顆粒大小集中的程度。第二十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

b.由?？?、沃德提出的用標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小來劃分巖石的分選性的等級。（4）偏度：又稱歪度，指粒度組成分布偏于粗顆?；蚣?xì)顆粒。?？恕⑽值聟?shù)是我國目前應(yīng)用最廣泛的粒度參數(shù)之一。第二十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

實(shí)際巖石樣品Skp值在±1之間變化，正值表示曲線偏于粗顆粒為粗歪度；負(fù)值表示曲線偏于細(xì)顆粒為細(xì)歪度。對稱，Skp=0粗偏度，Skp＞0細(xì)偏度，Skp＜0第二十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（5）峰態(tài)：量度粒度組成分布曲線陡峭程度。量度分布曲線的兩個尾部顆粒直徑的展幅與中央展幅的比值。（6）顆粒等效直徑假想土壤模型：等徑球形顆粒所組成的模型。

用假想土壤模型研究真實(shí)顆粒組成巖石時，用假想土壤模型的顆粒直徑代替真實(shí)巖石的粒度組成后，假想土壤模型所產(chǎn)生的滲濾阻力與真實(shí)巖石所產(chǎn)生的阻力相同，滿足于這樣條件的假想土壤模型的顆粒直徑就稱為“顆粒等效直徑”。第二十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三公式如下：其中，

def

：顆粒的等效直徑；△gi：第i組分砂子的重量百分?jǐn)?shù)；

di：表征第i組分的顆粒平均直徑。第二十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第二十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三二、砂巖的比面1、比面的概念所謂比面是指單位體積巖石內(nèi)巖石骨架的總表面積或單位體積巖石內(nèi)總孔隙的內(nèi)表面積。當(dāng)顆粒是點(diǎn)接觸時，即為所有顆粒的總表面積。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中—S:巖石比面，cm2/cm3,m2/m3等

A:巖石顆粒的總表面積或巖石孔隙的總表面劑，cm3

V:巖石外表體積（或視體積），cm3

巖石中的細(xì)顆粒越多，它的比面就越大，反之，就越小。也就是說，巖石比面越大，說明其骨架的分散程度越大，顆粒越細(xì)。

例如：由半徑為R的等徑圓球按立方體排列所組成的多孔介質(zhì)，其比面應(yīng)為顯然，比面的大小取決于顆粒的直徑，粒徑越小比面越大，細(xì)粒物質(zhì)的比面比粗粒物質(zhì)的比面大得多。S=8×4πR2/(4R)3=π/2R。第二十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三除常以外表體積V定義外，還采用顆粒骨架體積Vs和孔隙體積Vp為基準(zhǔn)的比面，即：式中：S:以巖石外表體積為基準(zhǔn)的比面，cm2/cm3；Ss:以巖石骨架體積為基準(zhǔn)的比面，cm2/cm3；Sp:以巖石孔隙體積為基準(zhǔn)的比面，cm2/cm3；按以上三種不同體積定義的比面有如下關(guān)系：

此外，在有關(guān)比面的定義中，分母也有采用“單位重量”來定義比面的。如，對于砂巖按單位重量定義的比面為500～5000cm2/g對于頁巖為100m2/g（1000000cm2/g）。

一般情況下，未加注明，巖石比面是指以巖石外表體積為基準(zhǔn)的比面。2、比面的其它定義方法第二十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三3、研究比面的意義(2)和滲透率有關(guān)。S越大，K越小泥質(zhì)砂巖、粉砂巖滲透率很低(3)和孔隙表面吸附量有關(guān)(4)和離子交換的能力有關(guān)(5)和束縛水含量有關(guān)(1)巖石分類和對比指標(biāo)砂巖S<950cm2/cm3(粒徑1~0.25mm)細(xì)砂巖950<S<2300cm2/cm3(粒徑0.25~0.1mm)泥砂巖S>2300cm2/cm3(粒徑0.1~0.01mm)第二十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三4、比面的測定方法第三十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

由巖石粒度組成資料估算比面

考慮問題的思路是：先從繁到簡，首先假設(shè)所有的顆粒均為理想的圓球形，然后再接近實(shí)際情況，考慮顆粒形狀不規(guī)則的情況。

第一步：假設(shè)單位體積球形顆粒組合中，有N個直徑為d的顆粒，則每個球形顆粒的表面積為,體積為Vi：又設(shè)單位體積巖石孔隙總體積為φ，則該巖石中顆粒所占的體積Vs=1-φ，

則單位體積巖石顆粒的數(shù)量為：由此求出單位體積巖石顆粒的總表面積，即比面為：該法適用于膠結(jié)疏松或不含粘土顆粒的巖石。第三十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

第二步：由于實(shí)際巖心是由不同直徑的球形顆粒組成，根據(jù)粒度組成的資料求比面。若單位體積巖石中顆粒組成為：粒徑為d1者占G1%，粒徑為d2者占G2%．．．．．．．．，粒徑為dn者占Gn%則該巖石中，每種直徑的巖石顆粒的總表面為：把所有顆粒表面積加起來即得到該顆粒組成的巖石比面為：（可用其求def）式中：di：第i組分的顆粒直徑

di“,di“分別為鄉(xiāng)鄰兩篩子的孔眼大小

Gi：第i組分的顆粒重量百分?jǐn)?shù)φ：巖石的孔隙度，由實(shí)驗(yàn)方法測定。第三十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

第三步：由于巖石顆粒不完全為球形，為了近似的符合實(shí)際情況，引入一個顆粒形狀校正系數(shù)C則C值由實(shí)驗(yàn)確定，通常C=1.2~1.4。對球度好的顆粒取用較小的C值；對帶棱角而非常不圓的顆粒取較大的C值。第三十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三三.儲層巖石的敏感性

近年來，隨著對儲層的進(jìn)一步研究，在我國“油田開發(fā)管理綱要”及保護(hù)儲層技術(shù)的研究中，都提出要對儲層的各種敏感性進(jìn)行評價。就是說，在一個油田投入開發(fā)之前，即打第一口探井時，就應(yīng)通過取芯，除進(jìn)行常規(guī)的孔、滲、飽、孔隙結(jié)構(gòu)等研究外，還必須對巖心進(jìn)行各種敏感性評價實(shí)驗(yàn)，以找出該儲層當(dāng)與外來施工流體接觸時，可能潛在的危險(xiǎn)及對儲層可能造成傷害的程度。第三十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三(一）膠結(jié)物及膠結(jié)類型1.膠結(jié)物

儲層巖石中的膠結(jié)物是除碎屑顆粒之外的化學(xué)沉淀物質(zhì)，在砂巖中含量小于50%，它對巖石顆粒起膠結(jié)作用，使之變成堅(jiān)硬的巖石。膠結(jié)物的存在使儲層物性變差，隨著膠結(jié)物成分變化與膠結(jié)物類型的不同對儲層的影響也不同，使粒間孔隙可變?yōu)槌涮顨埩粑锏目紫?，使孔隙度變小。膠結(jié)物的成分可分為泥質(zhì)、鈣質(zhì)（灰質(zhì)）、硫酸鹽、硅質(zhì)和鐵質(zhì)。

泥質(zhì)（小于0.01mm的碎屑）膠結(jié)比較疏松，并能形成一些充填內(nèi)孔隙?；屹|(zhì)膠結(jié)主要是方解石和白云石，它常呈結(jié)晶狀態(tài)，膠結(jié)致密。硅質(zhì)膠結(jié)最致密，影響也最大。2.膠結(jié)類型

膠結(jié)物在巖石中的分布狀況及與碎屑顆粒的接觸關(guān)系稱為膠結(jié)類型。它通常取決于膠結(jié)物的成分和含量的多少、生成條件以及沉積后的一系列變化等因素。第三十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三c.接觸膠結(jié)

膠結(jié)物含量很少，一般小于5%，僅分布于顆粒相互接觸的地方，顆粒呈點(diǎn)狀或線狀接觸，膠結(jié)物多為原生或碎屑風(fēng)華物質(zhì)，最常見者為泥質(zhì)。此種膠結(jié)的儲油物性最好。大慶油田屬于這種膠結(jié)。巖石孔隙度大于25%，滲透率從幾十個毫達(dá)西到幾個達(dá)西。a.基底膠結(jié)

膠結(jié)物含量最高。碎屑顆粒孤立地分布于膠結(jié)物之中，彼此不相接觸或少有顆粒接觸。由于膠結(jié)物與碎屑顆粒同時沉積，故稱原生膠結(jié)，膠結(jié)強(qiáng)度很高。孔隙類型全為膠結(jié)物內(nèi)的微孔，其儲油、氣物性很差。b.孔隙膠結(jié)

膠結(jié)物含量不多，充填于顆粒之間的孔隙中顆粒呈支架狀接觸。膠結(jié)物多是次生的，分布不均勻，多充填于大的孔隙中，膠結(jié)強(qiáng)度次于基底膠結(jié)。根據(jù)膠結(jié)強(qiáng)度不同，砂巖一般可分為強(qiáng)膠結(jié)、膠結(jié)和弱膠結(jié)或疏松等。膠結(jié)方式可分為：第三十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（二）膠結(jié)物中的各種敏感礦物

儲層的敏感性主要受膠結(jié)物中的敏感性礦物影響，這些敏感性礦物從不同方面將影響巖石的骨架性質(zhì)和巖心分析的正確性。第三十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

1.粘土遇水膨脹的特性

（1）粘土：直徑小于0.01mm的顆粒占50%以上的細(xì)粒碎屑。它的成分包括粘土礦物和非粘土礦物，還有堿金屬、堿土金屬，鋁和鐵的氧化物等。粘土礦物是砂巖的主要膠結(jié)物。粘土礦物分為：高嶺石型、蒙脫石型、水云母型、綠泥石型等。粘土結(jié)構(gòu)：粘土礦物大都由兩種基本晶格組成。一種是硅氧四面體，另一種是鋁氧八面體。粘土的基本結(jié)構(gòu)組成可簡單劃分為：粘土礦物晶片晶層單體平面延伸縱向重疊延伸+重疊（2）粘土遇水膨脹的機(jī)理a.這是由粘土礦物的特殊晶格結(jié)構(gòu)所決定的。第三十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三硅氧四面體硅氧四面體晶片鋁氧八面體鋁氧八面體晶片

蒙脫石結(jié)構(gòu)

高嶺石結(jié)構(gòu)第三十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三伊利石結(jié)構(gòu)與蒙脫石相似，只是其晶層之間卡有鉀原子，大小與晶層硅氧四面體的六角環(huán)內(nèi)徑接近，使晶層之間聯(lián)結(jié)牢固，外來物質(zhì)很難進(jìn)入。

蒙脫石是由兩個硅氧四面體晶片中間夾一個鋁氧八面體晶片所組成的晶層。晶層之間由分之間力聯(lián)接，因此，結(jié)構(gòu)較弱，晶層之間距離較大（),外來物質(zhì)很容易進(jìn)入。當(dāng)和水相遇時，水分之就容易進(jìn)入蒙脫石之間，造成晶體膨脹。高嶺石是一個硅氧四面體晶片和一個鋁氧八面體晶片組成的晶層。晶層薄，層間距?。ǎ?，兩個晶層之間一面是氫氧原子，一面是氧原子，因而形成氫鍵，也就是說，相鄰兩晶層之間除范德華力外，還有氫鍵，結(jié)合力強(qiáng)，水分子不容易進(jìn)入，膨脹性就小。第四十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三b.與晶層表面的帶電性質(zhì)有關(guān)

在蒙脫石的形成過程中，硅氧四面體中的Si4+經(jīng)常被Al3+所置換,而鋁氧八面體中的

Al3+常被Mg2+和Fe2+置換，以及晶層邊角的“破鍵”和晶格缺陷使晶層帶負(fù)電（粘土帶負(fù)電），其結(jié)果：水為極性分子，在粘土表面受表靜電引力而定向排列，濃集在顆粒表面。由于晶層帶負(fù)電，而在表面吸附了Na+、Ca2+等陽離子，在水溶液中，晶層表面的離子解離，形成雙電層，使雙電層內(nèi)的陽離子濃度高于介質(zhì)中的濃度，使得水分子向晶層間擴(kuò)散，形成水化層。高嶺石中，硅和鋁在形成過程中都沒有被置換，因此，膨脹性就很小。粘土膨脹過程示意圖膨脹前膨脹后擴(kuò)散層吸附層粘土第四十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（3）粘土膨脹的危害

a.大幅度降低巖石的滲透率；

b.套管損壞、井底坍塌等；

c.粘土的吸附作用能使注入地層的化學(xué)劑作用降低甚至失效。a.離子交換法；b.增加電解質(zhì)濃度；c.注酸性水；d.注粘土穩(wěn)定劑。（4）防止粘土膨脹的措施（5）粘土的膨脹度它是指粘土膨脹的體積占原始體積的百分?jǐn)?shù)，它是衡量粘土膨脹大小的指標(biāo)。第四十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.石膏高溫脫水特征為防止高溫下石膏脫水帶來的誤差，在巖心分析過程中可采取兩種方法：①用離心機(jī)冷洗巖心，即用離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)下所產(chǎn)生的離心力，將巖心中的油、水甩出；②改用氯仿和甲醇配置的共沸液，其沸點(diǎn)為53.5℃，它遠(yuǎn)小于石膏的脫水溫度，其沸液中甲醇和氯仿的重量百分比為13:87。106℃74℃81℃64℃第四十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三3.碳酸鹽遇酸分解和酸敏礦物傷害地層（1）碳酸鹽遇酸分解

砂巖儲層碳酸鹽含量很少或根本不含，而碳酸鹽巖儲層就全由碳酸鹽類所組成，如石灰石（CaCO3)、白云石（CaMg(CO3)2）、鈉鹽（NaCO3）、鉀鹽（CaCO3）和菱鐵礦都能與酸反應(yīng)。它們的含量在各油田很不一致，就其在膠結(jié)物中的含量看，多從9.5%～21%，其含量的多少不僅影響到儲層巖石的物性，而且直接決定著油井的增產(chǎn)措施，碳酸鹽含量是評價儲層性能的一個重要參數(shù)。第四十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三碳酸鹽含量的測定多基于下述反應(yīng)：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑實(shí)驗(yàn)測定中，碳酸鹽含量是采用反應(yīng)后CO2的體積或壓力來計(jì)算。由于碳酸鈣在巖石分布最廣，可將全部碳酸鹽含量換算為CaCO3的含量，根據(jù)反應(yīng)后測出的CO2體積

,由下式求出：式中：C：巖樣中CaCO3的含量，%；V：巖樣與HCl反應(yīng)后所得的CO2體積，cm3；

ρ：在實(shí)驗(yàn)溫度及大氣壓下，CO2氣體的密度，g/cm3；W：巖樣總重，g。第四十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（2）酸敏礦物及特點(diǎn)能與酸反應(yīng)的礦物并不都叫酸敏礦物，只有那些與酸反應(yīng)后容易生成沉淀而阻塞孔道引起滲透率降低的那些礦物才叫酸敏礦物。如富鐵綠泥石（FeO·Al2O3·SiO2·H2O）、黃鐵礦（FeS2）、菱鐵礦（FeCO3）等屬酸敏礦物。酸化時，除粘土膨脹因素外，富鐵綠泥石酸溶后當(dāng)PH為5~6時，F(xiàn)e2+呈膠體沉淀，傷害地層，其反應(yīng)式為：3FeO·Al2O3·2SiO2·3H2O+6HCl=3FeCl2+2Al(OH)3+2SiO2·3H2O2FeCl2+3H2O+3O=2Fe(OH)3↓+2Cl2

Fe(OH)3是一種片狀結(jié)晶，通常其體積比喉道還大，故可阻塞孔喉。預(yù)防措施：加鐵的螯合劑和凈氧劑。第四十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第四十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙度

巖石中除有固體物質(zhì)外，還有未被固體物質(zhì)所占據(jù)的空間，稱為孔隙或空隙。世界上沒有孔隙的巖石是不存在的，只是不同的巖石，其孔隙大小、形狀和發(fā)育程度不同而已。石油和天然氣正是儲存和流動于巖石的孔隙之中。因此，巖石孔隙的大小、形狀、連通及發(fā)育程度就直接影響巖石中儲集油氣的數(shù)量和生產(chǎn)油氣的能力，也是油層物理學(xué)最關(guān)心和研究最多的課題。第四十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三一、儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)

研究巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是研究巖石的孔隙構(gòu)成，它包括研究巖石的孔隙大小、形狀、孔隙間連通情況、孔隙類型、孔壁粗糙程度等全部孔隙特征和它的構(gòu)成方式。1.孔隙類型和組合關(guān)系組合關(guān)系：具有一種孔隙的介質(zhì)稱為單純（單一）介質(zhì)；孔隙、裂縫；具有兩種孔隙的介質(zhì)稱為雙重介質(zhì)，孔隙—裂縫；具有多種孔隙的介質(zhì)稱為多重介質(zhì)，孔隙—溶洞—裂縫。第四十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第五十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.孔隙簡化模型（1）簡化成等徑球形顆粒的土壤模型（2）假想毛管模型等徑毛管模型不等徑毛管模型變徑毛管模型（3）網(wǎng)狀模型（4）概率模型第五十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三3.孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔隙大小分布表示法孔隙：一般將巖石顆粒包圍著的較大空間稱為孔隙；喉道：僅在兩個顆粒之間連通的狹窄部分稱為喉道；孔隙直徑d：孔隙空間內(nèi)任何一點(diǎn)的孔隙直徑規(guī)定為在該點(diǎn)裝得進(jìn)去并且整個都在孔隙空間內(nèi)的最大球形直徑；喉道直徑：指能通過孔隙喉道的最大球形直徑；孔喉比：孔隙與喉道直徑的比值；孔隙的配位數(shù)：每個孔道所連通的喉道數(shù)。如一個孔道與三個喉道相連，則配位數(shù)為3，一般砂巖的配位數(shù)為2～15之間或更多些；孔隙的迂曲度（λ）：用以描述孔隙彎曲程度的一個參數(shù)。是流體質(zhì)點(diǎn)實(shí)際流經(jīng)的路程長度和巖石外觀長度之比值，可從1.2～2.5之間選用，一般無法直接測得。第五十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三孔隙大小分布表示方法

孔隙大小分布的表示方法與顆粒大小分布的表示方法相類似，即可表示為孔隙大小分布曲線和孔隙大小累積分布曲線。第五十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

a.分選系數(shù)b.偏度：又稱歪度，指孔隙大小分布偏于粗可機(jī)孔徑或細(xì)孔徑。實(shí)際巖石樣品Skp值在±1之間變化，正值表示曲線偏于粗孔徑為粗歪度；負(fù)值表示曲線偏于細(xì)孔徑為細(xì)歪度。c.峰態(tài)：量度粒度組成分布曲線陡峭程度。量度分布曲線的兩個尾部顆粒直徑的展幅與中央展幅的比值。第五十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三孔隙大小分布的測定方法：（1）半滲透隔板法（2）壓汞法（3）離心機(jī)法（4）吸附法（5）巖石切片用顯微鏡統(tǒng)計(jì)測量（6）X射線散射法（7）圖象分析法第五十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三4.孔隙分類（1）按大小可分為：a.超毛管孔隙：孔徑>0.5mm或裂縫寬度>0.25mm，在此類孔隙中，流體在重力作用下可自由流動。巖石中的大裂縫、溶洞及未膠結(jié)或膠結(jié)疏松的砂層孔隙多屬此類。b.毛細(xì)管孔隙：0.002mm<孔徑<0.5mm，裂縫寬度介于0.25mm～0.0001mm之間。由于毛細(xì)管的作用，液體不能自由流動，必須有超過重力的外力去克服毛細(xì)管力，液體才能沿毛細(xì)管孔隙流動。一般砂巖孔隙屬此類。c.微毛管孔隙：孔徑<0.002mm或縫寬<0.0001mm，在此類孔隙中，分子間引力很大，要使流體在孔隙中移動，需要非常高的壓力梯度，這在油層條件下一般無法達(dá)到。因此，實(shí)際上液體是不能沿微毛細(xì)管移動的。泥頁巖中的孔隙一般屬此類型。（2）按連通狀況分（3）按流動情況分第五十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三二、巖石孔隙度的概念1.孔隙度的定義指巖石中孔隙體積Vp（或巖石中未被固體物質(zhì)充填的空間體積）與巖石總體積Vb的比值。

儲層的孔隙度越大，能容納流體的數(shù)量就越多，儲集性能就越好。

Vb=Vs+Vp第五十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.在油田開發(fā)中應(yīng)用的孔隙度

（1）巖石的絕對孔隙度：巖石的總孔隙體積Va與外表體積Vb之比。（2）巖石的有效孔隙度：巖石的有效孔隙體積Va與外表體積Vb之比。

用于評價油層特性，計(jì)算儲量及飽和度。第五十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三（3）巖石的流動孔隙度φf：指在含油巖石中，油能在其內(nèi)流動的孔隙體積Vf與巖石外表體積Vb之比。

它不僅排除了死孔隙，亦排除了那些為毛管力所束縛的液體所占有的孔隙體積，還排除了巖石顆粒表面上液體薄膜的體積。流動孔隙度與地層中的壓力梯度和流體的性質(zhì)有關(guān)。流動孔隙度在數(shù)值上是不確定的，但在油田開發(fā)分析中，具有一定的實(shí)際價值。三者之間的關(guān)系：φa＞φe＞φf第五十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三3.孔隙度的數(shù)值砂巖儲層φ：5～30％之間，一般10～20％。碳酸鹽儲層φ：一般小于5％。萊復(fù)生按孔隙度的大小，將砂巖儲層分為五級：4.孔隙度的影響因素（1）顆粒的大小、形狀、排列方式；（2）顆粒尺寸的非均勻性，分選性；（3）膠結(jié)物含量、膠結(jié)方式、壓實(shí)程度；（4）巖性。（砂巖10～20%，碳酸鹽巖<5%）第六十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三三、巖石孔隙度的測定方法常規(guī)巖心分析中，測定巖石孔隙度的各種方法均從孔隙度的定義出發(fā)，

只要測得其中得兩個值，就可求出孔隙度φ。第六十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三四、儲層巖石的壓縮性1.巖石壓縮系數(shù)

在油田開發(fā)前，地層中巖柱壓力和油藏壓力及巖石骨架所承受的壓力處于平衡狀態(tài)；投入開發(fā)后，隨著油層中流體的采出，油層壓力不斷下降，平衡遭到破壞，使外壓與內(nèi)壓的壓差增大。此時，巖石顆粒擠壓變形，排列更加緊密，從而孔隙體積縮小。開發(fā)前開發(fā)后pspfpfpsi第六十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三由于壓力降低時，孔隙體積縮小，使油不斷地從油層中流出，因此，從驅(qū)油角度講，這是驅(qū)油的動力，它驅(qū)使地層巖石孔隙內(nèi)的流體流向井底。巖石壓縮系數(shù)的大小，表示了巖石彈性驅(qū)油能力的大小，也稱為巖石彈性壓縮系數(shù)。

所謂壓縮系數(shù)是指油層壓力每降低一個大氣壓時，單位體積巖石內(nèi)孔隙體積的變化值。第六十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.綜合彈性系數(shù)

雖然巖石的壓縮系數(shù)很小，但考慮到還有流體的壓縮系數(shù)，特別是當(dāng)邊水或底水區(qū)很大時，巖石的壓縮系數(shù)使孔隙體積縮小，連同流體的壓縮系數(shù)使流體發(fā)生膨脹兩者的作用，就可以從地層中將大量的流體排到生產(chǎn)井中去。那么，當(dāng)單位體積巖石發(fā)生單位壓力降低時，由于巖石孔隙體積的縮小和孔隙中流體的膨脹，能采出多少油呢？C*物理意義：地層壓力每降低一個大氣壓時，單位體積巖石中孔隙及流體總的體積變化。C*稱為地層綜合彈性壓縮系數(shù)。第六十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)儲層巖石的滲透率

儲層巖石中絕大多數(shù)孔隙是相互連通的，因此，在一定壓差作用下，它有允許流體通過的性質(zhì)，這種性質(zhì)稱為巖石的滲透性。用以衡量流體滲過巖石能力大小的參數(shù)就是通常所說的滲透率。達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置簡圖一、達(dá)西定律1.來源2.內(nèi)容μQLP1P2ΔpA第六十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三達(dá)西定律：單位時間內(nèi)，通過巖心的流體體積Q與巖心兩端壓差ΔP及巖心的橫截面積A成正比；與巖心長度L及流體粘度μ成反比。

加一比例系數(shù)K，則K為巖石的絕對滲透率。改寫為：第六十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.適用條件：（1）層流；（2）流體不與巖石任何物理或物理化學(xué)作用；（3）巖石孔隙被單相、均質(zhì)、不可壓縮流體所充滿；（4）忽略重力及毛管力影響。3.重要性：（1）是多孔介質(zhì)滲流的基礎(chǔ)理論；（2）在不同的流動過程中有不同的解法；（3）可推廣到多孔介質(zhì)的多相流動。第六十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三在石油工業(yè)中，常用達(dá)西作為滲透率單位。達(dá)西：以粘度為1厘泊的流體完全飽和巖心孔隙，在1大氣壓的壓差下以層流方式通過橫截面積為1平方厘米，長為1厘米的巖樣時，其流量為1cm3/s,則該巖石的滲透率即為1達(dá)西。（1）物理單位制（CGS）：（2）混合單位制：4.單位：第六十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三1atm=0.101325MPa=1.01325×105Pa1at=0.9869×105Pa當(dāng)壓力用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，1D=0.9869×10-8cm2=0.9869μm2當(dāng)壓力用工程大氣壓時，1D=1.0197×10-8cm2=1.0197μm2在國際單位制中，滲透率單位用μm2，1D=1μm2第六十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第七十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三二、巖石滲透率的測定巖石的絕對滲透率是巖石本身所固有的性質(zhì)，只取決于巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，而與所通過的流體性質(zhì)及外界條件無關(guān)。1.氣測滲透率氣測滲透率的理論基礎(chǔ)是達(dá)西定律。氣體的體積隨壓力和溫度變化而變化。在巖心沿長度L，每一斷面的壓力均不相同，因此，進(jìn)入巖心的氣體體積流量在巖心各點(diǎn)上是變化的，沿著壓降方向不斷膨脹、增大，所以應(yīng)采用達(dá)西定律的微分形式：第七十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三如果把流動過程中氣體膨脹看作是等溫過程，那么，根據(jù)波義耳—馬略特定律：則：Q0為大氣壓P0下的氣體體積流量。所以：分離變量，兩邊積分，則：即為氣測巖石滲透率的公式。第七十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）同一巖心，同一種氣體，采用不同的平均壓力所測得的滲透率不同；（2）同一巖心，不同氣體，在同一平均壓力下所測得的滲透率不同；（3）同一巖心，不同氣體所測得的滲透率和平均壓力的直線交縱軸于一點(diǎn)，該點(diǎn)的滲透率等效于液測滲透率，叫做等效液測滲透率，或克氏滲透率。H2HeCo2第七十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三2.氣體的滑動效應(yīng)我們來看一下液體和氣體在毛管中是怎樣流動的？第七十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第七十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三滑動效應(yīng)：

氣體在孔隙中流動時，不象液體那樣呈層流狀態(tài)，在管壁處的流速為零，氣體在管壁處仍有流速的現(xiàn)象稱為氣體的滑動效應(yīng)?；瑒有?yīng)是克林肯伯格發(fā)現(xiàn)的所以也叫克氏效應(yīng)。第七十六頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

早在1941年，克林肯伯格就給出了考慮氣體滑動效應(yīng)的氣測滲透率數(shù)學(xué)表達(dá)式：

b：滑脫系數(shù)或滑脫因子，取決于氣體性質(zhì)和巖石孔隙結(jié)構(gòu)。第七十七頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三3.滑脫現(xiàn)象校正方法（2）經(jīng)驗(yàn)公式a.伊弗萊法

b.普塞爾法（1）實(shí)驗(yàn)測定時的校正（3）圖版法第七十八頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三三、裂縫巖石的滲透率液體流經(jīng)寬度不大的裂縫，流量為：裂縫的滲透率為：第七十九頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三四、影響巖石滲透率的因素

孔隙度的影響因素，如膠結(jié)物的含量、顆粒排列方式等對滲透率都有影響，除此之外，還有：（1）巖石顆粒大小（2）儲層的方向性，巖石的滲透率時各向異性的。（3）巖石孔道的迂曲度和內(nèi)壁粗糙度（4）粘土礦物產(chǎn)狀（5）流體性質(zhì)水敏現(xiàn)象：與地層不配伍的外來流體進(jìn)入地層后，引起粘土膨脹、分散、運(yùn)移、堵塞孔道，導(dǎo)致滲透率降低的現(xiàn)象。水敏指數(shù)：巖心在蒸餾水下的滲透率Kw與巖心的克氏滲透率K∞的比值，即Kw/K∞。第八十頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)滲透率和其它巖石物性關(guān)系

儲層巖石的孔隙度、滲透率、比面都是表示巖石滲流特性的參數(shù)，它們之間必然存在一定聯(lián)系，但由于巖石孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，很難得出一個普遍性的定量關(guān)系。A真實(shí)巖石假想巖石LL第八十一頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三一、毛管滲流定律

從上述的毛管束模型中，任意取出一根長為L，內(nèi)壁半徑為r0的毛細(xì)管，其中有粘度為μ的流體，在壓差為p1-p2的作用下做層流或粘滯性滲流。我們認(rèn)為該液體可以潤濕毛細(xì)管壁，則在管壁處的流速為零，在管中心處的流速最大。這種滲流可視為一組分別以不同速度運(yùn)動的同心液筒，在液筒之間存在著粘滯力。P1P2ΔpLqr0r0rdrVr0=0V0=maxVr0=0dVμ第八十二頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三粘滯力的大小可由牛頓內(nèi)摩擦定律表示，即：式中，F(xiàn)：粘滯力；A：同心液筒柱的表面積，A=2πrL；dv/dx：速度梯度。于是，作用于半徑為r的液筒上的粘滯力則為：此時，作用在同一液筒上的驅(qū)動力則為：如果假設(shè)液流沒有加速度，那么驅(qū)動力和粘滯力應(yīng)相等。第八十三頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三分離變量，積分，得：

這就是半徑r的液筒的運(yùn)動速度公式，而且從公式可以看出，沿著半徑方向速度分布規(guī)律為一拋物線。r0rdrVr0=0V0=maxVr0=0dV第八十四頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三

假設(shè)通過厚度為dr的單元液筒的體積流量為dq=vdA,這里的dA=2πrdr。那么，通過整根毛管的流量看成是若干個這樣液筒的流量的疊加，即：積分，得：如果r0取任意值r，則:此即液體在毛管中做粘滯性滲流的“泊謖葉”定律。第八十五頁，共一百零四頁，編輯于2023年，星期三二、滲透率和孔隙半徑的關(guān)系

設(shè)假想巖石中，單位面積內(nèi)有n根半徑為r的毛管，其余