Course Notes of Poromechanics

Notes on Scheidegger, The Physics of Flow through Porous Media

The follwoing are from 《油层物理学》.

油层物理学是一门建立在实验基础上, 理论与实践并重的课程.

储层流体的物化性质

储层流体是指储存于油气藏中的石油、天然气和地层水. 原始状态储层流体处于高压、高温状态. 高压下原油溶解有大量的天然气.

第一章: 油气藏流体的化学组成与性质

石油中烃类主要是由烷烃、环烷烃和芳香烃这三种饱和烃类构成. 原油中一般未发现非饱和烃类, 如烯烃、炔烃. 在常温常压(20℃, 0.1MPa)下, C1~C4为气态, 他们是构成天然气的主要成分; C5~C16是液态, 他们是石油的主要成分; 而C17及以上的烷烃为固态, 即所谓石蜡.

石油的化学组成

石油中主要含碳、氢元素, 也含有硫、氮、氧以及一些微量元素. 碳的质量百分比为83%~87%, 氢的质量百分比为11%~14%, 两者合计一般为95%~99%.

我国大部分原油的硫含量都比较低. 我国原油的含氮量偏高.

石油中还含有一些微量稀有金属元素如钒、镍、铁、钴、镁、钙、铝等, 含量极微.

石油可分为两大类, 及烃类和非烃类. 石油中带有直链或支链, 但没有任何环结构的饱和烃, 称之为烷烃(或链烃). 烷烃的化学性质很不活泼. 石油中的烷烃包括正构烷烃和异构烷烃. 环烷烃是环状的饱和烃, 其性质也比较稳定. 苯系芳香烃在石油中普遍存在.

含硫、氧、氮的烃类化合物, 兼含有硫、氮、氧的胶状、沥青状物质统称为非纯烃类化合物, 俗称非烃类.

原油的分子量变化范围很大, 大约为几百到几千. 含蜡量是指在常温常压条件下原油中所含石蜡和地蜡的百分比. 胶质是指原油中分子量较大, 含有氧、氮、硫等元素的多环芳香烃化合物. 胶质含量是指原油中所含胶质的质量分数. 沥青质含量是指原油中所含沥青质的质量分散. 沥青质是一种高分子量、具有多环结构、呈黑色固态的非纯烃类化合物. 胶质是粘稠液体, 而沥青质是无定形的、脆性的固体. 胶质溶于低分子烷烃, 沥青质则不溶. 含硫量指原油中所含硫(硫化物或单质硫)的百分数.

原油的物性与分类

原油一般呈棕褐色、黑褐色、黑绿色. 胶质、沥青质含量高则原油颜色变深. 地面原油的相对密度定义为原油的密度与某一温度和压力下水的密度之比. $d_4^{20}$ 指1atm, 20℃时原油与1atm、4摄氏度纯水的密度之比. $\gamma_o$ 指1atm, 60℉(15.6℃)时原油与纯水的密度之比.

原油的凝固点是指原油冷却过程中由流动态到失去流动性的临界温度点.

粘度的国际单位为Pa·s, 常用单位为P, mPa·s, cP. 1P=0.1Pa·s, 1cP=1mPa·s

闪点: 可燃液体蒸汽与空气混合物在临近火焰时能闪火的温度.

荧光性: 原油在紫外光照射下发出一种特殊光亮的特征. 原油密度不同使荧光颜色有明显的差异.

旋光性: 偏光通过原油时, 偏光面对其原来的位置旋转一定角度的光学特性.

原油是非极性物质, 是非导体.

依据原油中的硫含量0.5%, 2.0%为界, 将原油分为低硫、含硫、高硫原油. 原油中的硫具有不好的气味, 对炼油不利.

依据原油中的胶质-沥青质含量8%, 25%为界, 将原油分为少胶、胶质、多胶原油.

依据原油中的含蜡量1%, 2%为界, 将原油分为少蜡、含蜡、高含蜡原油.

按20℃的原油密度0.82、0.89、0.93g/cm3为界, 将原油分为凝析油、石蜡基原油、混合基原油、环烷基原油.

按地面脱气原油相对密度0.855、0.934为界, 将原油分为轻质、中质、重质油.

按油藏条件下原油粘度5、20、50mPa·s为界, 将原油分为低粘、中粘、高粘、稠油.

  • 凝析油: 地层条件下为气相烃类, 气藏压力低于露点压力后凝析出的液态烃(轻质油).
  • 挥发油: 地层条件下呈液态, 在开发过程中挥发性强, 收缩率高.
  • 高凝油: 凝固点高于40℃的高含蜡原油.

天然气的化学组成

天然气(也称为石油气态烃)是以甲烷为主的烷烃, 但也含有一些非烃类气体, 如二氧化碳、氮气、硫化氢、水汽.

油气藏分类

分类法一: 依分子量递减排列

  • 油气藏;
  • 油藏、气藏;
  • 黑油油藏、轻质油油藏、凝析气藏、气藏;
  • 重油油藏、一般黑油油藏、高收缩油藏、挥发油油藏、富凝析气气藏、贫凝析气气藏、湿气气藏、干气气藏;

分类法二:

  • 气藏——甲烷为主, 含有少量乙丙丁烷.
  • 凝析气藏——含有甲烷到辛烷的烃类, 在油藏条件下是气态, 压力下降时会凝析出液态烃.
  • 挥发性油藏——上部接近于气, 下部接近于油, 但油气无明显分界面, 原油具挥发性.
  • 油藏——以液相烃为主, 溶解一定天然气.
  • 重质油藏——原油粘度高, 相对密度大.

以生产汽油比18000m3/m3为基准, 将气藏分为干气藏和湿气藏.

将油气层的埋藏深度以1500米、2800米、4000米为界, 将油气藏分为浅层、中深层、深层、超深层油气藏.

地层水的化学组成与分类

地层水含有相当多的金属盐类, 称为盐水.

矿化度代表水中矿物盐的总浓度. 地层水的总矿化度表示水中正负离子含量之总和. 离子毫克当量浓度等于某粒子的浓度除以该粒子的当量(质量数). 【等效于每电荷物质的量浓度】 底层水的硬度指地层水中钙、镁等二价阳离子含量的大小.

水型分类: 硫酸钠Na2SO4型、重碳酸钠NaHCO3型、氯化镁MgCl2型、氯化钙CaCl2型.

第二章: 天然气的高压物理性质

天然气的视分子量和密度

天然气可分为油藏伴生气和非伴生气, 非伴生气包括纯气藏气和凝析气藏气.

依据井口流出物中, 标准状态下C5以上重烃液体含量为13.5cm3/m3为界, 将天然气分为干气和湿气.

依据井口流出物中, 标准状态下C3以上重烃液体含量为94cm3/m3为界, 将天然气分为富气和贫气.

酸性天然气: 含有显著硫化氢、二氧化碳等酸性气体, 需要进行净化处理才能达到灌输标准的天然气. 洁气: 与酸性天然气相对, 含酸性气体少, 不用净化处理的天然气.

天然气组成的表示法: 摩尔组成、体积组成、质量组成.

天然气的视分子量: 标准状态下1mol天然气的质量, 简称天然气的分子量.

天然气的相对密度: 标准状况下, 天然气的密度与干空气密度的比.

真实气体的状态方程: PV = ZnRT. 其中, Z称为压缩因子, 或偏差因子、偏差系数. 压缩因子Z的物理意义为: 给定压力和温度下, 一定量真实气体所占的体积与相同温度、压力下等量理想气体所占有的体积之比.

对比压力: 气体的绝对压力与临界压力之比. 对比温度: 气体的绝对温度与临界温度之比. 对比状态原理: 当两种气体处于相同对比状态时, 气体的许多内涵性质, 如压缩因子Z、粘度, 也近似相同.

对于化学性质相似、临界温度相差不大的物质, 对比状态原理有很高的精度. 比如甲乙丙烷可以使用同一张天然气压缩因子图版. 天然气中非烃组分的体积含量小于5%, 甲烷体积含量不小于50%时, 天然气的Z值可以查天然气Z值图版, 且误差满足工程精度.

天然气的视临界参数(视临界压力、视临界温度): 天然气各组分临界参数按摩尔分数的加权平均.

天然气中非烃或重烃(C5+)含量较高时, 需要进行非烃修正, 比如图版修正法、经验公式修正法、加权处理方法.

气藏压力越高, 压缩因子Z值越大.

天然气的其他状态方程有: 范德瓦尔斯方程, Redlich-Kwong 状态方程, Peng-Robinson 状态方程, SRK 方程.

可以采用计算法确定Z因子, 比如低压Z因子计算式、DPR 方法.

天然气的高压物性

天然气的地层体积系数 Bg: 一定量天然气在油藏条件下的体积与其在标准状态下的体积之比.

不同国家、不同场合对标准状态有不同的定义.

膨胀系数: 地层体积系数的倒数.

天然气的等温压缩率(弹性系数)Cg: 等温条件下, 天然气体积对压力的收缩率.

天然气的视对比压缩系数Cpr: 压缩率Cg与视临界压力Ppc的乘积.

接近大气压时, 烃类气体的粘度随分子量的增加而减少, 随温度的增加而增加. 在高压下, 气体的粘度随压力的增加而增加, 随温度的增加而减少, 随分子量的增加而增加. 这与液体粘度的性质很像.

确定天然气粘度的方法有: Carr粘度图版法, 根据组成计算, 经验公式法(剩余粘度法、Lee-Gonzalez半经验法)

湿天然气和天然气水合物

湿天然气: 含水蒸气的天然气. 含水蒸气量的影响因素: 正相关——温度; 负相关——压力、地层水含盐量, 天然气相对密度.

绝对湿度X: 单位体积湿天然气所含水蒸气的质量. 饱和绝对湿度X_s: 一定温度、压力下, 天然气中含有的最大水蒸汽量. 此时水蒸气的分压达到此温度下的饱和蒸汽压. 相对湿度φ: 同样温度、压力下, 绝对湿度与饱和绝对湿度之比.

天然气中含水量相关图(天然气的露点图): 表示不同温度和压力下天然气的饱和含水蒸汽量图. 温度低于水合物生成温度时, 气体与水合物之间达到平衡; 温度高于水合物生成温度时, 气体和液体处于平衡状态.

天然气水合物: 水和低分子量烃或非烃组分所形成的结晶状笼形化合物. 其中水分子借助氢键形成主体结晶网络, 晶格中孔穴内充满轻烃或非烃气体分子. 依据与水相接触的气体分子的大小与形状, 水分子形成一定结构的构架, 而其孔穴填满的程度取决与体系的温度和压力.

水合物对石油工程的意义: 水合物作为一种资源, 可能存储在一定条件的地层中; 天然气开采过程中, 井筒或气嘴后出现的水合物, 对于天然气流动有重要影响; 在地面上, 气态的天然气可转化为水合物状态, 从而实现高效的储运.

天然气从地层向地面流动过程中, 压力和温度都会降低, 为天然其中所含水蒸气形成水合物创造了条件. 一旦水合物形成, 就会堵塞管线, 使气流受阻或中断, 影响正常生产.

如果天然气转化为水合物运输, 则可以实现高效、安全储运.

第三章: 油气藏烃类的相态和气液平衡

油气藏烃类的相态特征

  • 相: 体系中某一均质的部分.
  • 组分: 组成油藏烃类的每一类分子.
  • 组成: 体系中所含组分以及各组分在总体系中所占的比例.
  • 相图: 表示体系状态参数变化的坐标图.

三角相图: 压力、温度一定, 不同组成与其相态的对应关系. 相包络线所包围的区域为两相区. 系线与泡点线、露点线的交点可确定气液两相的组成. 临界点右侧为超临界区, 其中接近气相区的为混相气区, 接近液相区的为混相油区.

对任何单组分来说, 饱和蒸汽压线实际就是该组分的泡点线和露点线的共同轨迹线.

  • 泡点压力: 温度一定、压力降低时, 液相分离出第一批气泡时的压力.
  • 露点压力: 温度一定、压力升高时, 气相凝结出第一批液滴时的压力.
  • 临界点: 饱和蒸汽压线的终点, 它是气液两相能够共存的最高温度点和最高压力点.

不同的相图能反映出过程的不同侧面.

两组分体系的相图是一开口的环形曲线. 在临界点处, 液相和气相的所有内涵性质, 诸如密度、粘度等, 都相同. 泡点线的上方为液相区, 露点线的下方为气相区, 泡点线和露点线所包围的区域为两相区. 两相区内的虚线为等液量线. 在两组分体系相图中, 高于临界点的温度或压力的特定区域内仍可能呈现两相共存.

任何双组分混合物的两相区必位于两个纯物质饱和蒸汽压线之间; 混合物的临界压力都高于各组分的临界压力, 混合物的临界温度则居于两纯组分的临界温度之间; 混合物中哪一部分的含量占优势, 露点线或泡点线就靠近哪一组分的饱和蒸汽压线; 两组分的浓度比例越接近, 两相区的面积就越大; 某一组分的浓度很高时, 两相区的区域窄长.

混合物的临界压力远远高于各组分的临界压力; 两组分的性质, 如分子量、挥发性, 差别越大, 则临界点轨迹所包围的面积亦越大; 两组分中只要有一组分占绝对优势, 相图的两相区域就变得越窄.

在多组分烃类相图中, 泡点压力又称为烃类体系的饱和压力, 所以泡点线又称为饱和压力线.

纯油藏(欠饱和油藏)中的烃类体系在原始压力和温度下是单一液相原油. 饱和油藏的油藏原始压力为油藏温度下的饱和压力(泡点压力). 带气顶的油藏(过饱和油藏/已脱气油藏)在原始条件下处于两相区. 气藏在原始条件下处于气相区. 凝析气藏的原始地层压力高于临界压力, 而地层温度介于临界温度与临界凝析温度之间.

油藏开采过程中, 油藏压力下降, 而油藏温度基本保持不变.

反凝析现象的分子运动学解释: 地层压力降至露点(上露点)压力时, 烃分子距离加大, 分子间引力下降, 气态轻烃分子对重烃分子的作用力降低, 重烃分子就从轻烃中离析出来, 产生了第一批液滴. 当压力降到等温反凝析区下端点时, 凝析出的液态烃最多. 压力继续下降时, 凝析出的液态烃再次转换为气态.

凝析现象使烃类体系中最有价值的部分——重烃, 沉积成凝析油, 损失在地层中. 因为: 气藏中沉积下来的凝析油饱和度一般比较小, 往往小于液烃能够开始流动的饱和度; 长期生产下去, 剩在气藏中的烃类总分子量增大了, 使得剩余烃类混合物的相包络线向下、向右移动, 阻止了再蒸发作用的进行; 凝析液降低了气藏的渗透率, 降低气井产能.

为了防止重烃从天然气中凝析出来, 凝析气藏开发要采用循环注气等方法保持地层压力, 使地层压力在高于上露点压力的条件下生产.

  • 常规重质油藏(低收缩油藏)相图: 两相区内的等液量线较密集的靠近露点线一侧, 油藏的汽油比最低, 产出地面油常为黑色和深褐色.
  • 轻质油藏(高收缩油藏)相图: 轻质组分较高, 相图两相区内等液量线比较稀疏, 产出地面油呈深色.
  • 反凝析气藏相图: 产出液体称为凝析油, 色浅而透明; 产出气体称为凝析气.
  • 湿气气藏相图: 气藏温度远高于临界温度, 地层条件下烃类体系始终处于气相; 在地面条件下, 烃类体系处于两相区, 析出的轻质油透明、色浅如水.
  • 干气气藏: 地层条件与地面条件下, 烃类体系均处于气相区
  • 干气: 甲烷含量很高的天然气.

气液相平衡(略)

油气体系中气体的溶解与分离

油气分离方式通常有三种基本类型: 闪蒸分离, 差异分离和微分分离.

闪蒸分离(接触分离/接触脱气/一次脱气): 油气分离过程中气液两相始终保持接触, 体系的组成不变.

P-V 的线性关系主要出现在饱和压力点附近; 当压力远离饱和压力时, p-V的线性关系不一定存在.

闪蒸分离分离出的气量较多, 即汽油比高, 而且分离出的气体较重, 气体中的轻质油较多.

差异分离(多级脱气): 在脱气过程中将每一级脱出的气体排走后, 液相再进入下一级. 多级脱气减少了轻质油的损耗, 获得更多的地面原油, 但增加了设备的投入和工艺管理的复杂性, 故矿场上均不超过三级.

微分分离(微分脱气): 脱气过程中, 微小降压后立即将从油中分离出的气体放掉, 使气液脱离接触.

一般油层中的脱气介于接触分离和微分分离之间. 【那组分模型的闪蒸计算的合理性是否值得质疑呢？】

油藏中的脱气过程可能落后于压力降落的速度(滞后现象), 而且多孔介质岩石中的脱气过程比试验室内的脱气过程更为复杂, 所以室内测定与实际的脱气过程有一定差异.

油井里的脱气过程常常是介于接触分离与微分分离之间. 【这是不是可以用于多段井模拟呢？】

单组份气体在液体中的溶解满足亨利定律. 亨利定律: 温度一定时, 溶解度和压力成正比. 溶解度: 一定温度、压力下, 单位体积液体所溶解的天然气在标况下的体积.

溶解气量随温度的增加而降低, 高压时这种降低更大些.

同温同压下, 一定组分的天然气在轻质原油中的溶解度大于在重质原油(高密度原油)中的溶解度.

接触脱气曲线和溶解曲线是重合的, 因为组分没有变化, 气液相相平衡. 微分脱气的溶解曲线和脱气曲线不重合, 因为系统组分不断变化.

第四章: 储层流体的高压物性

地层油的高压物性

地下原油由于溶解有大量的天然气, 其密度通常低于地面脱气原油. 地下原油密度随温度的增加而下降. 压力小于饱和压力时, 压力越大, 溶解气越多, 原油密度越小; 压力高于饱和压力时, 压力增加, 溶解气不增加, 原油受压缩, 其密度增大.

地层油的溶解汽油比: 单位体积/单位质量地面原油在地层条件下溶有的天然气在标况下的体积. 单位: m3/m3或m3/t.

低于饱和压力时, 溶解汽油比与溶解度有相同的意义.

脱气方式不同, 从油中分出的天然气的量不一样. 一般以一次脱气测定的溶解汽油比为准.

原油地层体积系数(原油体积系数): 原油在地下的体积(地层油体积)与其地面脱气原油体积之比. 一般情况下, 地下溶解气和热膨胀的影响远远超过受压缩所引起的体积变化, 所以原油地层体积系数一般大于1. 挥发性原油具有高挥发性的特点, 体积系数很大, 收缩率很高.

原油收缩系数: 原油地层体积系数的倒数. 收缩率: 1 – 原油收缩系数

地层水的高压物性

地层水(油层水): 处于油层边部和底部的边水和底水、层间水以及与原油同层的束缚水的总称. 束缚水: 油层形成时残余在孔隙中的水, 与油气共存但不参与流动.

天然气在地层水中的溶解度: 地面条件下, 单位体积地层水在地层条件下溶解的天然气体积.

天然气的溶解度随含盐量的增加而减小.

地层水的压缩系数: 地层水单位压力变化时的体积变化率.

地层水的体积系数: 等量的地层水在地下的体积与其在地面条件下的体积之比. 地层水的体积系数随温度的增加而增加, 随压力的增加而减小. 溶有天然气的水比纯水的体积系数大.

地层水的粘度随温度的增高而大大降低, 受压力影响不大, 受含盐量影响也不大.

高压物性仪(PVT仪): 用于测定油气高压物性的装置.

油相、气相的物质平衡方程. 【这里最好做一张纸版笔记】 物质平衡方程只能用于已开发相当长时期的油藏, 已积累了足够生产统计资料的油藏.

储层岩石的物理特性

石油与天然气储层主要为沉积岩储层. 沉积岩又分为碎屑岩和碳酸盐岩. 碎屑岩是主要的储层岩石. 以碳酸盐岩为储层的油气储量约占总储量的一半.

第五章: 储层多孔介质的孔隙特性

砂岩的构成

砂岩是由性质不同、形状各异、大小不等的砂粒经胶结物胶结而成的.

  • 粒度: 岩石颗粒的大小, 以颗粒直径来表示.
  • 粒级: 按砂粒大小范围所分的组.
  • 砂岩的粒度组成: 不同粒级的颗粒占全部颗粒的百分数, 通常用质量分数表示.

一般用筛析法和沉降法来测定砂岩的粒度及粒度组成.

  1. 筛析法:
    • 筛孔尺寸的表示方法: 每英寸长度上的孔数, 称为目或号; 筛孔孔眼大小, 以毫米表示.
  2. 沉降法:
    • 原理: 不同直径的颗粒在液体中具有不同的沉降速度, 从而沉降到管底的时间不同.
    • 假设:
      1. 砂岩颗粒坚硬, 为球形颗粒.
      2. 微粒在粘性不可压缩液体中的运动相当缓慢, 且距离容器壁及地面为无穷远.
      3. 微粒以恒速沉降, 微粒在沉降时呈单粒运动, 不发生聚并.
      4. 在运动着的微粒与分散介质之间界面上不发生滑动.
    • 依据流体力学斯托克斯公式可以算出颗粒沉降速度与粒径的关系式.

粒度组成累积分布曲线的统计参数

  1. 表示法一: 颗粒直径—累计质量百分比
    • 不均匀系数: 累计质量60%所对应的颗粒直径与累计质量10%所对应的颗粒直径之比.
    • 粒度中值: 累计质量50%所对应的颗粒直径.
  2. 表示法二: 颗粒直径以2为底的对数的负值—累计质量百分比
    • 粒度中值: 累计质量50%所对应的颗粒直径.
    • 分选系数: 累积分布曲线上25%、75%质量对应颗粒粒径的比值, 用于表示颗粒大小的均匀程度.
    • 偏度: 表示粒度分布的不对称程度, 公式不在此列出.
    • 峰度(尖度): 表示粒度分布曲线的尖锐程度, 公式不在此列出.

岩石的比面: 单位体积岩石内, 孔隙的总内表面积; 或, 单位质量岩石的总内表面积. 也有用单位骨架体积或单位孔隙体积来定义比面的.

透过法: 根据流体对岩石的透过性来求比面的方法. 依据原理为Kozeny-Carman方程. 一般以空气作为流体, 也有用水的.

胶结物质: 除碎屑颗粒以外的化学沉淀物质, 一般是结晶的或非结晶的自生矿物. 最常见的是泥质和灰质, 其次为硫酸盐和硅质. 胶结物质使岩石的储油能力和渗透能力变差.

  • 泥质: 沉积岩粒度分析中粒度小于0.01mm的物质的总称.
  • 粘土: 天然的土状细粒集合体, 与少量的水混合时具有可塑性.
  • 粘土矿物: 组成粘土主体的矿物, 可分为细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐.

粘土矿物是粘土的主要组成部分, 粘土是泥质的主要组成部分.

粘土矿物中水的分类:

  • 吸附水——吸附在粘土矿物表面;
  • 层间水——存在于粘土矿物单元晶层之间;
  • 结构水——以羟基形式存在于晶格内部.

粘土矿物的分类(按成因):

  • 陆源粘土矿物——与砂质同时沉积的粘土;
  • 自生粘土矿物——在沉积和成岩过程中形成的.

自生粘土矿物在砂岩孔隙中的产状:

  • 分散质点式——减小孔隙度、降低渗透性(分割孔隙、运移并堵塞孔隙);
  • 薄膜式——减小孔隙有效半径, 造成孔喉堵塞, 以及与入井流体不配伍导致的储层伤害;
  • 架桥式——形成束缚水区, 降低储油能力.

陆源粘土是造成地层非均质性的主要原因, 自生粘土是储层伤害和生产能力下降的主要原因.

灰质胶结物: 主要由碳酸盐类矿物组成.

沉积岩中碳酸盐矿物分为原生和后生两种. 地层岩石的碳酸盐含量越低, 岩石的孔隙度越大.

储层岩石中的硫酸盐矿物主要是石膏和硬石膏.

胶结类型: 胶结物在岩石中的分布状况, 以及它们与碎屑颗粒的接触关系.

胶结类型分类:

  • 基底式——胶结物含量高, 总体积大于碎屑颗粒体积, 颗粒孤立地分布于胶结物中.
    • 胶结物与碎屑颗粒同时沉积, 故称原生胶结.
    • 孔隙的储集物性很差;
  • 孔隙式——胶结物含量不多, 仅充填于颗粒之间的孔隙中, 颗粒呈支架状接触.
    • 胶结物多是次生的;
  • 接触式——胶结物含量很少, 仅分布于颗粒相互接触的地方.
    • 胶结物多为原生或碎屑风化物质, 常见的为泥质.
    • 岩石孔隙性、渗透性均好.

储层岩石的孔隙性

空隙: 岩石颗粒间未被胶结物质充满, 或未被其他固体物质占据的空间.

空隙的分类(按几何尺寸分类):

  1. 孔隙——一般指砂岩
  2. 空洞——一般指碳酸盐岩
  3. 裂缝

由于孔隙是最普遍的空隙形式, 所以常笼统的将空隙统称为孔隙.

Meinzer分类:

  1. 分选好、孔隙度高的沉积物中的空隙;
  2. 分选差、孔隙度低的沉积物中的空隙;
  3. 砾石沉积物, 整个沉积物孔隙度高;
  4. 沉积物分选较好, 但颗粒间有胶结物沉积, 孔隙度低;
  5. 溶蚀作用形成的多孔岩石;
  6. 由断裂形成的有胶结物的多孔岩石.

按成因分类:

  1. 原生式沉积 (沉积作用)
    • 粒间孔隙: 由颗粒或杂基支撑、胶结物较少的岩石内, 由颗粒围成的孔隙.
    • 纹理、层理缝: 不同砂层由于岩性、排列方位差异引起的沿纹理、层理的微缝隙; 这类孔隙使岩石的渗透具有方向性.
  2. 次生式沉积
  3. 溶蚀孔隙(溶解作用): 岩石中碳酸盐、长石、硫酸盐或其他可溶性成分溶蚀形成的孔隙.
  4. 晶体次生晶间孔隙(压溶作用): 主要由石英结晶次生, 填充原生孔隙后残留下的孔隙.
  5. 裂缝孔隙(地应力作用): 砂岩储层内由地应力形成的微裂缝, 它能极大改善岩石的渗透性.
    • 云母解理缝也属于裂缝孔隙.
    • 颗粒破裂孔隙(岩石裂缝)
  6. 混合孔隙(复合成因)
    • 杂基内微孔隙: 杂基沉积物在风化时收缩形成的孔隙, 及粘土矿物重结晶形成的晶间孔隙.

按孔隙大小分类:

  • 超毛细管孔隙: 直径大于0.5mm, 或裂缝宽度0.25mm的孔隙.
    • 如岩石中的大裂缝、溶洞、未胶结或胶结疏松的砂层孔隙.
    • 流体在这类孔隙中能受重力作用自由流动.
  • 毛细管孔隙: 孔隙直径介于0.5—0.0002mm之间, 或裂缝宽度介于0.25—0.0001mm之间的孔隙.
    • 比如大多数的砂岩孔隙.
    • 在这类孔隙中, 如果存在两相流体, 则存在毛管力, 液体不能自由流动.
  • 微毛管孔隙: 孔隙直径小于0.0002mm, 或裂缝宽度小于0.0001mm的孔隙.
    • 比如一般的粘土、页岩孔隙.
    • 这类孔隙常被称为无效孔隙.

按形成时间:

  • 原生孔隙: 与沉积过程同时形成的孔隙.
  • 次生孔隙: 沉积作用后由于地下水、构造应力等因素形成的孔隙.

按组合关系分类:

  • 孔道: 较大的空洞, 简称孔.
  • 喉道: 连接大孔隙之间的细小通道, 简称喉.

按连通性分类:

  • 连通孔隙(pore): 岩石中绝大多数孔隙属于这类.
  • 死孔隙(disconnected pore)

岩石孔隙组成: 孔隙直径的概率密度(体积分数)函数、或累积分布函数 孔隙组成的统计参数: 包括不均匀系数, 孔隙半径中值, 孔隙中值, 平均孔径, 标准偏差, 偏度.

孔隙结构: 岩石全部孔隙特征的总称, 包括孔隙大小、形状、连通情况、类型、孔壁粗糙程度等.

孔隙结构参数:

  • 孔隙大小及其分选性: 参见“岩石孔隙组成”
  • 孔喉比: 孔隙直径与喉道直径的比值.
  • 孔隙配位数: 每个孔道所连通的喉道数.
  • 孔隙迂曲度

孔隙结构类型:

  1. 单重孔隙介质
    • 粒间孔隙结构(孔隙模型按发展顺序为等径球体堆积模型, 微毛细管模型、变截面毛细管模型、弯曲毛细管模型, 网络模型).
    • 纯裂缝结构——不考虑粒间孔隙, 储集空间和渗流通道均为裂缝的结构.
  2. 双重孔隙介质
    • 裂缝——粒间孔结构: 主要储集空间为块状单元中的粒间孔隙(高孔低渗), 主要渗流通道为块状单元之间的裂缝(高渗低孔).
    • 孔洞——粒间孔结构: 粒间孔隙中的流动服从渗流规律; 由于洞穴尺寸超过毛细管大小, 洞穴中的流动服从N-S方程.
  3. 三重孔隙介质
    • 粒间孔隙——微裂缝——大洞穴结构
    • 粒间孔隙——微裂缝——大裂缝结构

储层岩石的孔隙度

  • 孔隙度(绝对孔隙度): 岩石中孔隙体积与总体积的比值.
  • 有效孔隙度: 岩石有效孔隙体积与总体积的比值.
  • 流动孔隙度: 含油岩石中, 可流动的孔隙体积(除去微毛管孔隙、岩壁水膜)与总体积的比值.

一般情况下将有效孔隙度简称为孔隙度. 流动孔隙度不是一个定值, 它随地层压力梯度和流体的物化性质变化.

砂岩储层孔隙度一般为5%--25%, 碳酸盐岩基质的孔隙度一般小于5%.

双重介质岩石孔隙度包括: 原生孔隙度(基质孔隙度)——岩石颗粒之间的粒间孔隙. 次生孔隙度(孔洞孔隙度/裂缝孔隙度)——裂缝和孔洞形成的空隙.

裂缝孔隙度明显小于基质孔隙度. 实验室测定的孔隙度称为基质孔隙度.

岩石总体积的测量: 几何测量法; 封蜡法; 饱和煤油法(重力法); 水银法;

岩石孔隙体积的测量:

  • 气体孔隙度仪(Boyle定理法)(对于较为致密岩样, 用氦气比用氮气更精确, 因为氦气分子更小)(气体法测定的孔隙度常称为气测孔隙度)
  • 液体饱和法(重力法)(液体可以选择煤油、地层水)(液体饱和法测定的孔隙度常称为液测孔隙度)

岩石颗粒体积的测量: 氦气孔隙度仪法(Boyle定理法); 固体体积计法——研成颗粒, 测体积.

理想模型证明了颗粒堆积体的孔隙度上限.

分选系数总大于等于1. 分选系数越接近于1, 粒度组成越均匀, 孔隙度越大; 分选系数越大, 粒度组成越不均匀, 孔隙度越低.

孔隙度随着粒径的增加而减小, 因为细粒碎屑磨圆度差、呈棱角状, 颗粒支撑时比较松散, 比圆度好的较粗砂粒有更好的孔隙度.

分选性差时, 颗粒越细孔隙度越高.

钙质成分比泥质对孔隙度的影响大得多.

储层埋深增加和上覆岩层加厚, 会导致孔隙度急剧下降.

一般来说, 厚层的裂缝密度小、规模大; 薄层的裂缝密度大、规模小.

成岩后生作用:

  • 构造压力使储层岩石产生微裂隙, 增加孔隙度;
  • 地下水溶蚀岩石颗粒和胶结物, 增加孔隙度;
  • 地下水中矿物质沉淀填充, 减小孔隙度.

储层岩石的的压缩性

岩石的压缩系数(岩石弹性压缩系数)C_f: 地层压力【就是液体压力】每降低单位压力时, 单位视体积岩石中孔隙体积的缩小值. 【就是说, 地层压力的降低导致孔隙体积减小; 石油生产导致地层沉降】

岩石压缩系数代表岩石弹性驱油能力.

孔隙体积压缩系数C_p: 油层压力每产生单位压降时, 单位孔隙体积岩石所产生的孔隙体积变化值.

地层综合弹性压缩系数C_t: 地层压力每产生单位压降时, 单位岩石视体积中的流体采出量.

液体压缩性和岩石压缩性对弹性储量的贡献没有一个确定的关系. 当地层综合弹性压缩系数、储层体积和地层产生的压降已知时, 可以算出地层依靠弹性膨胀能量所能采出的总油气体积. 尽管岩石压缩系数很小, 但储层视体积通常很大, 故地层中往往具有很大的弹性能量和弹性储量.

储层岩石流体饱和度

流体饱和度: 某种流体所占孔隙体积的百分数.

原始含水饱和度: 油藏投入开发前储层岩石孔隙空间中原始含水体积和岩石孔隙体积的比值.

束缚水: 储层内的不流动水. 束缚水的形成过程: 水相中沉积的砂岩层起初完全充满水; 在原油运移、油藏形成过程中, 毛细管作用和岩石颗粒表面对水的吸附作用使得油不可能将水全部驱走, 从而在油藏中形成了束缚水.

油藏原始含水饱和度的别名: 共存水饱和度、残余水饱和度、束缚水饱和度、原生水饱和度、封存水饱和度、不可再降低的水饱和度、临界饱和度、平衡饱和度.

原始含油饱和度: 地层中原始状态下含油体积与岩石孔隙体积之比.

通常情况下, 岩石颗粒越粗, 则比面越小, 孔隙、喉道半径越大, 孔隙连通性好, 渗透性高, 油气排驱水阻力小, 含油饱和度就越高, 束缚水饱和度也就越低. 【这里从油藏的形成过程解释原始含油饱和度】 粘度较高的油由于排水动力小, 原油难以进入到孔隙中, 因此残余水饱和度高, 含油饱和度就低.

残余油: 经过某一采油方法或驱替作用后仍然不能采出而残留于油层孔隙中的原油. 残余油饱和度: 残余油在岩石孔隙中所占体积的百分数.

剩余油: 【不对】

确定储层流体饱和度的方法:

  1. 油层物理方法: 常规岩心分析方法、专项岩心分析方法
  2. 测井方法
  3. 经验统计公式/经验统计图版法

一般来说, 根据岩心所测出的含油饱和度比实际地层的含油饱和度偏小.

第六章: 储层岩石的流体渗透性

达西定律及岩石绝对渗透率

岩石的绝对渗透率取决于多孔介质的孔隙结构, 与流体或孔隙介质的外部几何尺寸无关.

大多数情况下油气储层岩石渗透率不高于1达西, 因此常用毫达西来表示渗透率.

储集层按渗透率分级: 大于1000md, 渗透性极好; 1000-100md, 渗透性好; 100-10md, 渗透性中等; 10-1md, 渗透性微弱; 小于1md, 渗透性微弱.

测定和计算岩石绝对渗透率时必须符合的条件: 岩石孔隙全部为单相流体饱和, 流体不可压缩, 岩心中流动是稳态单相流; 通过岩心的渗流为一维直线渗流; 流体性质稳定, 不与岩石发生物理化学作用.

不能用酸液、蒸馏水, 应使用地层流体.

当渗流速度增大到一定值之后, 会产生较大的惯性阻力, 此时流量与压差不再是线性关系. 临界渗流速度: 达西流动的速度上限.

渗流速度(达西速度)是渗流流量与截面面积之比. 因为截面内孔隙面积只占一小部分, 所以实际孔道中的流速要高于渗流速度. 【达西速度相当于表观速度, 孔道中流速则是当地速度in-situ velocity】

依据经验, 在一般储层的岩石和流体物性参数下, 临界雷诺数为0.2-0.3, 因此可以推出临界流速. 【“雷诺数”在渗流领域也是有应用的……】

低渗透性致密岩石在低速渗流时, 由于流体与岩石之间存在吸附作用、或者流体在粘土矿物表面形成水化膜, 使得压力梯度很低时流体不流动, 存在一个启动压力梯度. 在低于启动压力梯度的范围内, 达西速度与压力梯度间不满足线性关系.

同一岩石的气测渗透率大于液测渗透率. 平均压力越小, 气体密度就越小, 气体分子间的相互碰撞就越少, 使得气体更易流动, 气体滑脱现象也就越严重, 因此测出的渗透率就越大.

如果压力增至无穷大, 气体的流动性质已接近于液体的流动性质, 这时渗透率趋于一个常数, 它接近液测渗透率值, 故又称为等效液体渗透率. 【这个外插过程不是特别严谨, 不过误差不会特别大. 如果不同气体的等效液体渗透率一致, 则可以认为这是有一定合理性的】

气体分子量越小, 分子直径越小, 分子平均自由程就越大, 导致滑脱效应越严重, 滑脱系数越大.

对于渗透率小于100md的岩心, 通常需要进行克氏渗透率校正.

影响岩石渗透率的因素

疏松砂岩的粒度越细, 分选型越差, 其渗透率越低. 正韵律沉积岩层中, 越往上粒度越细, 渗透率也越低. 只具有原生孔隙的碳酸盐岩的水平渗透率大于其垂向渗透率, 具有次生裂缝的碳酸盐岩的垂向渗透率可能大于水平渗透率.

岩石渗透率不仅与孔隙度有关, 主要还取决于孔隙结构的特性, 如孔隙半径和比面.

成岩作用:

  • 地层静压力——作用于岩样上的有效覆压越大, 测得的渗透率就越小, 下降速率随着压力的增加而减小. 原因之一是压实作用, 即地层静压力越大, 孔隙通道会急剧变小, 孔喉比会急剧增加且曲折度增大, 使得渗透率大大降低.
  • 胶结作用——胶结物质的沉淀和胶结都会使孔隙通道变小, 孔喉比增加, 粗糙度增大, 导致渗透率降低.
  • 溶蚀作用——溶蚀作用产生次生孔隙, 但是这些孔隙很不规则, 孔喉比和曲折度很大, 所以渗透率可能增大, 也可能变化不明显.

构造作用和其他作用:

  • 构造作用——构造作用形成的断裂和裂隙使储层孔隙度和渗透率均增大.
  • 流体性质——粘土矿物遇到不配伍的地层水会膨胀, 堵塞孔道, 导致渗透率降低; 高粘度原油会导致泥质运移, 或者沥青质、石蜡、胶质会吸附在孔隙表面, 导致渗透率降低.
  • 温度——温度升高时, 流体会膨胀, 阻碍压实作用, 使得上覆压力对渗透率的影响减小.
  • 开发过程——外来工作液与岩石不配伍; 不恰当的施工措施和开采速度会改变地层渗透率.

岩石渗透率的测定与计算

流量管空气渗透率法——设备简单, 测量快. 用测井资料估算渗透率——用孔隙度、束缚水饱和度估算储层渗透率; 误差比较大. 毛管束渗流模型计算渗透率——依据相关公式, 用平均孔隙半径和孔隙度可以计算渗透率.

平均渗透率的常用计算方法: 算术平均、加权平均、按物理过程(并联、串联, 直线渗流、平面径向渗流)求平均.

裂缝性、溶孔性岩石的渗透率

碳酸盐岩储层的裂缝或孔洞尤为发育.

裂缝的密度n: 岩心端面上裂缝总长度与端面面积的比例.

岩石结构的理想模型及应用

毛细管束模型: 假设岩石的空隙为等直径的平行毛细管束. 网络模型: 用节点表示孔道, 用连线表示喉道, 节点和连线组成一个网络结构

砂岩储层岩石的敏感性

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