油层物理课件

孔隙体积的减少（∆VP）与地层岩石体积大小或实验岩 样外表总体积（VT）的大小、地层压力的降低幅度（∆P） 以及岩石本身的弹性压缩系数Cf有关：
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∆V p = C f VT ∆p
上式可改写成：
1 Cf = ⋅ ∆V p / ∆p VT
式中,Cf——岩石的压缩系数，10-4MPa-1； VT——岩石总体积，cm3； ∆VP——油层压力降低∆P时，孔隙体积减小值，cm3。
渗透率比值 = K′ 用小数表示 K
K − K′ % K
渗透率降低百分数 =
二、压力和温度对渗透率的影响
初 始 渗 透 率 （ 小 数 ）
有效上覆压力（ 有效上覆压力（MPa） ） 图4-2-1 渗透率 与有效上覆压力的关系 A 结砂岩 B 的（ 的） 的（ 的）砂岩 C 结砂岩
怀特等人用纯净干燥砂岩样品作 压实实验，测得Ki/K（Ki为目前 压力下的渗透率，K为起点压力 下的渗透率）与上覆有效应力p 的关系，得到如图4-2-1所示结 果。从图中不难看出，当作用于 岩样上的压力 ，渗透率 应 ，当压力 （20MPa） ，渗透率K 下 。对 砂岩，渗透率 得 ， 为 。
渗透率可下降78%~86%；长石砂岩或石英—长 石砂岩则居中间位置。 从图4-2-2中还可以注意到，渗透率在10MPa以 前的围限应力下，其下降幅度很陡，而在10MPa以 后，趋于平缓，甚至基本不变。 总之，压力、温度的升高，总是使岩石的渗透 率降低。因此，研究岩石的渗透率，则更应该研究 和测定岩石在地层条件下的渗透率，以反映岩石在 地下的真实面目。
图中A’点叫做水银二次突破，它反映了烃类物 质突破基质孔隙系统所需的最小驱动力，其相应的毛 细管压力被称为二次突破压力。出现两次突破是双重 孔隙介质系统的特征。对于双重孔隙介质而言，A点 称为一次突破点，一次突破压力反映了次生孔隙空间 被水银突破时所需的最小毛细管驱动力，其进汞量反 映了在有效应下次生孔隙空间的容积大小，它与地层 情况下岩芯体积之比，叫做该岩芯的次生孔隙度。 地层条件下的水平单向流动压汞曲线的其他特 征值与常规压汞的确定方法一致。
渗 透 率 降 低 %
围限压力MPa
图4-2-2 渗透率随有效应力增加而降低
不同的岩石由于粒度 和组成，尤其是泥质 含量的差异，其渗透 率随压力增加而下降 的幅度各不相同。纯 石英砂岩（图4-2-2 中的17号样品），在 30MPa围限应力下， 渗透率下降了大约 17%；而泥质砂岩 （图4-2-2中的16号 样品），在30MPa 的围限应力下，
上述三种装置，孔压流体都是用的 液体（盐水），孔隙体积的变化量是通 过测试时从岩心中排出液体的体积来反 映，而一般试验时从岩心中排出的流体 体积量比较少，所以对计量装置的计量 精度要求很高。
4）氦气孔隙体积压缩仪 （图4-1-4） 装置如图所示。它主要由 围压系统、岩心室、精确 标定的微量泵、气源、压 力控制、调节装置几部分 组成。这种方法测出的孔 隙体积变化，与同样条件 下液体饱和法测出的孔隙 体积变化基本一致。这种 方法的主要优点是：压力 平衡时间短，测量快速； 岩石不接触液体，也不存 在与矿物发生反应对孔隙 体积测量的影响。
图4-3-3 有效应力下的单向流动压汞和常规压汞孔 喉大小分布和渗透率贡献图
第四节 地层岩石的电阻率
一、电阻率
1.概念 一种物质的电阻是指该物质阻止电流通过的能力。 通常，干燥的储集油气层岩石是不导电的。当储层 岩石孔隙中充满（或部份充满）了地层水时，岩层就 变成导电的。地层水之所以有导电能力，是因为水中 溶解了盐分。盐在水中会电离出正离子和负离子，在 电场作用下，离子产生运动，从而传导了电流。显然， 地层水中盐浓度愈大，则地层传导电流的能力愈强， 电阻则愈小。
1.测试仪器 测试仪器
成都理工大学设计研制了测定岩石在地层条件下突 破压力的水平单向流动压汞仪（图4-3-1）。
图4-3-1 有效应力下的水平单向流动压汞仪
仪器主要由提供注入压力的高压注入计量汞、隔 离装置、水银计量和压力显示单元（A）提供上覆有效 应力的高压泵及高压显示单元（B），能承受70MPa 上覆应力的高压进汞岩芯室（D）及判断水银突破的电 子显示单元和真空系统（C）等部分组成。 地层压力条件下孔分布测定包括： （1）地层条件下的孔隙度测定； （2）地层条件下的孔分布测定。
油层物理课件
成都理工大学 能源学院
第四章 岩石特殊物理性质
第一节 地层条件下的孔隙度
一、概念 油田开发前，产层上覆岩石和流体自重所产生的应 力（外压）、产层中的流体压力（孔隙内压）以及 岩石骨架所承受的压力（外压与内压的差值）处于 平衡状态。油田投入开发后，随着产层中的流体被 采出，油层压力不断下降，平衡遭到破坏，从而使 外压与内压的差值（压差—有效应力）变大。
图4-1-5 有效应力的氦气岩石孔隙体积压缩、孔隙度测定装置 有效应力的氦气岩石孔隙体积压缩、
2.有效上覆压力的计算： 不同地区有效上覆压力的计算可根据下式：
D ⋅ ρr P= − PL 100
式中，P——有效上覆压力，MPa； D——岩心的实际深度，m；
ρr
−
−
——上覆岩石的平均密度，g/cm3；
3.毛管压力曲线的特征 毛管压力曲线的特征 地层条件下水平单向流动压汞得到的注入曲线位于常规 压汞曲线的上方并普遍向上抬起，它反映了岩石孔隙空 间在上覆压力作用下的缩小（见图4-3-3）。 变化幅度最大 的是排驱压力， 其次是饱和度 中值压力和最 小非饱和孔隙 体积百分数， 这是温、压对 孔隙结构影响 所造成的。
图4-1-4 孔隙体积变化装置
此外，在引进英国罗伯逊公司常规氦气孔隙度仪的基础 上，设计并改装了能提供50MPa有效上覆压力的岩石氦气 孔隙体积压缩系数、渗透率测定仪（见图4-1-5）。 该仪器由标准容器、上覆压力源、控制显示单元、孔隙 压力源、高压岩心室及有关管汇组成。它可提供50MPa有 效上覆压力作恒定孔隙压力下的孔隙度和孔隙体积压缩系数 测定，且操作简单，测试准确可靠。
第三节 有效应力下的孔喉大小分布
突破压力是在油气运移定量计算中的关键参数 之一。尤其是二次运移和油气柱的定量计算中，都使 用了突破压力这一关键参数。 但是，随着对突破压力研究的深入，对实验室 测试技术的要求也越来越高。目前四面进汞的压汞技 术并不符合地层中油气流动的实际情况，所测得的是 “视孔喉分布”，采用排驱压力作为二次运移和油气 柱的定量计算显然也是不合适的。如果将样品的侧面 和一个端面用塑料封住，则可形成单向进汞，使之更 接近油气流动的实际情况。此时，测得的压汞曲线就 会有明显的差异。
表4-1-1 岩石孔隙体积压缩系数测定数据表
有效上覆压力 （MPa） 1.36 6.52 12.63 18.50 A 25.09 31.35 37.95 44.61 51.44 1.36 6.52 9.26 14.10 20.11 B 26.99 34.15 42.05 48.64 55.52 孔隙体积 （cm3） 5.99 5.93 5.86 5.80 5.74 5.70 5.65 5.61 5.58 2.16 2.13 2.09 2.04 1.99 1.95 1.91 1.88 1.86 1.85 岩石体积 (cm3) 78.72 78.66 78.59 78.53 78.47 78.43 78.38 78.34 78.31 58.00 57.97 57.93 57.88 57.83 57.79 57.75 57.71 57.68 57.67 孔隙度 （%） 实测值 7.6 7.5 7.5 7.4 7.3 7.3 7.2 7.2 7.1 3.7 3.7 3.6 3.5 3.4 3.4 3.3 3.3 3.2 3.2 43.22 42.78 42.48 35.43 29.99 24.84 18.66 12.35 3.23 26.31 26.17 25.87 21.61 18.23 15.14 11.39 7.53 1.97 20.58 18.96 14.85 13.38 12.20 10.88 9.70 4.26 12.55 11.57 9.06 8.16 7.44 6.63 5.92 5.29 孔隙体积压缩系数 （10-4MPa-1） 换成单轴应力状态值
相应地层有效上覆压力下的岩 石压缩性。
2）三轴压缩仪（图4-1-2） 三轴压缩仪可根据需要任意控制垂向压力和横向 压力，以模拟各种不同的承压条件（见图）。 三轴压缩仪可直接 精确测量岩石在地层 条件下的压缩，并可 计算岩石泊松比。但 试验程序、控制较复 杂， 对岩样形状要求很高 ，难以作大量的样品
二、实验室测定方法 1.测定装置
按加载方式的不同，实验室 岩石压缩系数的测定有三种装 置：单向压缩仪、三轴压缩仪 和流体静力压缩仪。 1）单向压缩仪（图4-1-1） 这种加载方式与地层岩石受 压状况非常相似：岩石只在垂 向上发生形变，横向形变趋于 零。因此，该装置可直接测量
图4-1-1 单轴压缩仪
孔 隙 体 积 压 缩 系 数 （ ）
图4-1-8和表4-1-1 表示有效上覆压力 和孔隙度与孔隙体 积压缩系数间的关 系。从图表中可以 看到：原始孔隙度 小的压缩系数大， 原始孔隙度大的压 缩系数小，
有效上覆压力
。
图4-1-8 孔隙体积压缩系数与有效上覆压力 孔 隙度的关系 Ф=4.6% Ф=7.1% Ф=11.0%
2.资料解释应用 资料解释应用
图4-3-2是两块不同孔隙结构特征岩芯的实测毛细 管压力—水银饱和度关系曲线。其中a为溶孔十分发育 的白云岩，b为常规砂岩。
图4-3-2 不同孔隙介质的毛管压力曲线
图中A点为水银突破点，它所相应的压力 叫做突破压力。它是水银进入岩芯并突破岩芯 时所需的最小压力。由于岩芯处于有效应力， 并模拟了地层情况下烃类物质作单向运移的实 际情况，故称为有效应力的真实突破压力。
当油层压力每降低单位压力时，单位体积岩石中孔 隙体积的减小值。 因此，岩石压缩系数的大小，表示岩石弹性驱油能 力的大小，又称为岩石弹性压缩系数。 常规岩石孔隙度可通过测定岩石的压缩系数CP，采 用公式
φ = φ0 e
− CP ∆ p
即可将实验室条件下所测的孔隙度值转换为地层条 件下的孔隙度。 在用物质平衡方法计算储量时要用到孔隙体积压缩 系数，特别是对于不饱和油藏，这个系数更加重要。
图4-1-2 三轴压缩仪
测量。
图4-1-3 流体静力压缩仪 三轴压缩仪
3）流体静力压缩仪 （图4-1-3） 流体静力压缩仪是采用 静水压力加载（如图41-3），各方向受到相同 压力作用，这与在上覆 地层压力下垂向上产生 形变、横向形变趋于零 的情况不同。所以测量 值要通过转换才能与上 述方法进行对比。这是 目前应用广泛的实验装 置。
PL——孔隙压力，MPa。
3.实验测定方法 实验测定方法 实验室测定一般用长度5~6cm，直径2.5cm岩心，先 ，直径 岩心， 实验室测定一般用长度 岩心 用有机溶剂冼净烘干，套上热缩管， 用有机溶剂冼净烘干，套上热缩管，然后放在夹持器 的环压密封岩心。 内，以1.4MPa的环压密封岩心。用氦气法测定岩样 的环压密封岩心 孔隙体积及孔隙度，然后抽空饱和盐水。 孔隙体积及孔隙度，然后抽空饱和盐水。 1）岩心烘干，测定孔隙度； ）岩心烘干，测定孔隙度； 2）岩心抽空饱和水； ）岩心抽空饱和水； 3）岩心周围施加密封压力，然后升温至油藏温度， ）岩心周围施加密封压力，然后升温至油藏温度， 恒温至少1小时，然后按选定的压力间隔， 恒温至少 小时，然后按选定的压力间隔，逐渐提高 小时 环压至设计的有效上覆压力， 环压至设计的有效上覆压力，记录相应压力点所挤压 出水的体积，将此值与上覆压力做图。 出水的体积，将此值与上覆压力做图。
样品号
第二节 地层条件下的渗透率
一、地层条件下的渗透率
岩石的渗透率是地应力的函数，相对于孔隙度，渗透率 随埋藏深度的增加而减小的程度远远超过孔隙度的变化。 模拟地层条件下岩石渗透率的测定是根据岩样所处的深 度计算有效应力值，在岩心周围施加这一压力和温度，然 后采用常规的渗透率测定方法进行测定。 资料的整理一般可以采用地面条件下测定的渗透率K与 地层条件下测定的渗透率K’的比值来衡量渗透率的变化：