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文檔簡介
1、油藏物理課程第二篇 儲層巖石的物理特性第六章 儲層巖石的流體滲透性 一、砂巖的粒度組成孔隙度(porosity)評價儲層的儲集性; 飽和度(saturation)評價儲層中的含油氣性如何描述巖石讓流體通過的能力?Q與哪些因素有關(guān)?Q1、Q2哪個更大?問題液體滲流與氣體滲流的異同?滲透率(permeability)表征巖石讓流體通過的能力。它是油氣田開發(fā)、油藏工程動態(tài)分析的關(guān)鍵儲層物性參數(shù)LP1P2 Q1Q2AA第六章 儲層巖石的流體滲透性 本章內(nèi)容l 達西定律及巖石絕對滲透率l 氣測滲透率及氣體滑脫效應(yīng)l 影響巖石滲透率的影響因素l 巖石絕對滲透率的實驗室測定l 巖石絕對滲透率的估算第六章 儲
2、層巖石的流體滲透性本節(jié)重點:l Darcy公式及其單位制體系l 絕對滲透率定義及測定條件l 氣測滲透率實驗流程及其計算公式l 分析氣體滑脫效應(yīng)對氣測滲透率的影響及其修正方法本節(jié)難點:l 氣測滲透率計算公式的推導(dǎo)l 分析氣體滑脫效應(yīng)對氣測滲透率的影響及其修正方法第六章 儲層巖石的流體滲透性達西定律描述流體在多孔介質(zhì)中的宏觀流動規(guī)律,是油氣藏工程計算的核心定律1. Darcy實驗及達西定律l裝置:如圖l條件:單相流l目的:考察影響流量的因素一、達西定律及巖石絕對滲透率Darcy通過實驗發(fā)現(xiàn):(1) 水通過等粒徑填砂柱時,水流量Q:l 與砂柱截面積A成正比l 與砂柱兩端進出口壓差P成正比l 與砂柱長
3、度L成反比l 與流體粘度成反比(流體不同時)2) 改變填砂柱的粒徑,則流體流量不 同,引入比例系數(shù)KLPAKQ建立Darcy定律LPAQ一、達西定律及巖石絕對滲透率達西定律l 單位時間內(nèi)流體通過多孔介質(zhì)的流量Q與加在多孔介質(zhì)兩端的壓力差P和介質(zhì)的截面積A成正比,與多孔介質(zhì)長度L和流體粘度成反比l 當其他條件相同時,粒徑不同其流量也不同PALQK比例系數(shù),達西(D),稱其為多孔介質(zhì)的滲透率只與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān),而與流體性質(zhì)無關(guān)K 大Q 大,巖石允許流體通過的能力大 K 可定量評價巖石滲透性的大小一、達西定律及巖石絕對滲透率LPAKQ一、達西定律及巖石絕對滲透率注意:l 礦場用混合單位制,即:p
4、用atm,不用MPa(1atm0.0981MPa0.1MPa)(混合制)l Darcy定律是流體滲流的基本定律l Darcy定律對單相和多相滲流都適用l Darcy定律適用于松散砂柱、膠結(jié)砂巖及其它多孔介質(zhì)中流體滲流l 公式中系數(shù)K 只與多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān),而與流體性質(zhì)無關(guān),稱其為多孔介質(zhì)的滲透率LpAKQl Darcy定律的前提是假定: 1)流體和巖石之間不發(fā)生物理一化學(xué)反應(yīng); 2)巖石孔隙中只存在一種流體。l 在對一個區(qū)域或油層來評價滲透率時,不能僅僅考慮在一個點上所得的滲透率,因為巖石的滲透率還與水的流動方向、沉積特征以及巖性等有關(guān)。l 滲透率具有方向性。垂直方向和水平方向的滲透率也由于顆
5、粒填集方式而不相同。 一、達西定律及巖石絕對滲透率2.巖石絕對滲透率K(permeability)不與巖石發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng)的不可壓縮流體,100%飽和巖心后,在線性滲流條件下測得的巖石滲透率為巖石的絕對滲透率PALQK注意單位(1) 巖石絕對滲透率K 的單位l 巖石K 法定計量單位:D(達西)l 礦場常用mD(毫達西),1D1000mD儲層巖石的滲透率一般為51000mD問題: K與Q 、P、A、L、是否有關(guān)?一、達西定律及巖石絕對滲透率K 與與Q 成線性:成線性:K 大大Q 大,巖石允許流體通過大,巖石允許流體通過的能力大;的能力大;K 可定量評價巖石可定量評價巖石滲透性滲透性的大小。的
6、大小。(2)1D的物理意義在長度L1cm,截面積A1 cm2 的巖心中,粘度為1cP 的流體在1atm的壓差下流過巖心流量Q1 cm3/s 時,稱巖石滲透率為1D(達西)1D1m2,巖石K 具“面積”因次PALQK2282823m1cm10cm1002. 1atm1cm1cm1cP1/s)cm1 (D13. 使用達西定律的流速條件滲流速度:由達西方程 dLdPKLPKAQvv為達西速度或滲流速度,是假設(shè)過水斷面處處有流體通過時的平均速度,單位cm/s真實速度: vw vw 據(jù)P 與Q 為線性關(guān)系Darcy定律是線性滲流LpAKQ3. 使用達西定律的流速條件圖中PPmax時QP為非線性,不滿足D
7、arcy公式的比例關(guān)系使用條件:流體為線性滲流,其滲流速度臨界流速vc線性滲流的判斷方法l 作圖法:QP為過原點直線,則為線性流l 雷諾數(shù)Re 法l 據(jù)卡佳霍夫公式:u一般砂巖儲層的臨界Rec 為0.20.3u實際ReRec,則為線性流動(層流) 2/35 .17KvRe1、巖石絕對滲透率的測定條件 不與巖石發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng)的不可壓縮流體,100%飽和巖心后,在線性滲流條件下測得的巖石滲透率為巖石的絕對滲透率l 流體與巖石性質(zhì)穩(wěn)定,不發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng);l 單相不可壓縮流體穩(wěn)定滲流;l 流量與壓差之間成線性關(guān)系(保持線性滲流)巖石的絕對滲透率是巖石的固有性質(zhì),與測定條件無關(guān)只有嚴格滿足上
8、述三個條件測得滲透率才為巖石絕對滲透率注意:理論上:油、氣、水都可作K 的測定流體實際上:除線性流動條件外,其它條件在實驗室條件下難以嚴格滿足。例如:l 油測時,物理吸附孔隙表面形成油膜孔隙空間巖石Kl 水測時,水敏性礦物膨脹巖石K;l 氣測時,氣體膨脹、流量變化Darcy公式不能用 氣體滑脫效應(yīng)巖石K 據(jù)Darcy公式用任何流體測定巖石K都存在誤差2、 巖石絕對滲透率的測定方法方法:行業(yè)標準規(guī)定使用氣體測量巖石K,即: 低壓下用干燥空氣或氮氣通過巖心,測定K原因:l 氣體性質(zhì)較穩(wěn)定,不易變化l 不與巖石表面作用而改變孔隙大小l 氣體測巖石K 的誤差容易校正 氣體膨脹流量不穩(wěn)定校正 氣體分子擴
9、散氣體滑脫效應(yīng)校正3. 氣測滲透率的計算公式流量不穩(wěn)定校正分析:在等溫條件下,氣體通過巖心:沿壓降方向(巖心長度)發(fā)生膨脹;氣體體積流量Q 在各斷面處不等,但每一斷面上的流量符合Darcy定律;氣體因P 而膨脹引起的流量變化由狀態(tài)方程求出(等溫過程)(1) 氣測K 公式推導(dǎo) 假設(shè)氣體粘度、巖心長度為L,截面積A,巖心兩端壓力P1、P2 設(shè)在微單元dL 上,氣體具穩(wěn)定的體積流量。在dL 上用Darcy公式的微分式(混合單位制):dLdpKAQdLdpAQK/ 沿巖心長度方向,氣體發(fā)成恒質(zhì)量等溫膨脹,據(jù)波-馬定律(PV常數(shù)):常數(shù)PQQP00 式中:Q 巖心某斷面處的氣體體積流量 Q0大氣壓p0
10、下的體積流量PQPQ00常數(shù)PVVPVPVP002211 將式帶入微分Darcy公式:PdPdLAPQK00分離變量、積分:LppdLAPQKPdP00021得氣測K 公式:)(2222100PPALPQKa(混合單位制)式中:Ka氣測巖石絕對滲透率,m2 P1、P2巖心進、出口端壓力,atm P0大氣壓力,atm Q0大氣壓p0 下的體積流量,cm3/sLPPdLAPQKPdP00021氣測巖石Ka 與液測KL 公式比較:)()(2212100PPLPPAPQKaPPPKa12/ )(1214. 氣測巖石滲透率的結(jié)果分析)(2222100PPALPQKa2/ )(21PPP平均壓力結(jié)果:l
11、同種氣體,不同平均壓力 測得的Ka 不同l 相同平均壓力 ,不同氣體測得的Ka 不同結(jié)論:l Ka 隨測定條件變化l Ka 與K 間還存在偏差原因:氣體滑脫效應(yīng)5. 氣體滑脫效應(yīng)在單根毛管滲流模型中:l 液體: 流速斷面呈圓錐曲線:l 氣體: 流速斷面呈近直線分布:-從孔中心孔壁v 液-孔壁處v 液0-孔壁處v 氣0滑脫效應(yīng):低壓氣體滲流時,其流速在毛孔斷面上的分布偏離粘性流體流動特性,出現(xiàn)氣體分子在管壁處速度不等于0 的流動現(xiàn)象l 產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象的原因u 液體在毛管中流動特性:粘滯流動 粘性流體分子間存在粘滯阻力,F(xiàn)液-管壁F液-液 阻力:中心最小,管壁最大 流速:中心最大,管壁最小0(管壁上
12、液體分子被粘住表現(xiàn)為v0)u 低壓下,氣體在毛管中流動特性:碰撞運動為主。 分子間距大,F(xiàn)g-g、Fg-s小粘滯阻力小 分子碰撞動量交換管壁處分子不會粘在管壁上,仍處于運動狀態(tài);斷面上氣體分子間流速差消失,出現(xiàn)滑動效應(yīng)(v0)l 滑脫現(xiàn)象對氣測Ka 的影響u滑脫現(xiàn)象管壁處氣體分子參與流動 與液測相比,相當于增大了孔道流動空間u吸附作用管壁處液體分子形成液膜不流動 減小了孔道流動空間u液測KL氣測Ka 對同一巖石有:氣測Ka液測KLl 等效液體滲透率當 , ,氣體分子間距 ,氣體性質(zhì)越接近液體性質(zhì)根據(jù)Ka與 直線關(guān)系,Klinkenberg提出:)1(PbKKa當 時,Ka常數(shù)K(在數(shù)值上,K巖
13、石K)K稱等效液體滲透率或克氏滲透率b 滑脫系數(shù);與氣體性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)l 滑脫現(xiàn)象的影響因素)/1 (pbKKarpCb/4r毛管半徑;C1;d 分子直徑; 為平均壓力下分子平均自由程 n分子密度(與平均壓力有關(guān))2/(12nd平均壓力越低,氣體分子量越小,巖石孔隙越小,氣測滲透率的滑脫效應(yīng)越嚴重(b越大),Ka 越大6. 氣測滲透率Ka 的實驗校正(同一氣體對同一巖心)步驟l 測定5 組以上不同平均壓力下的流量Q 及巖心進、出口壓力P1、P2數(shù)據(jù)點;l 用氣測滲透率公式計算不同平均壓力下的Ka;l 繪制Ka 平均壓力直線l 將直線外推至Ka 軸,截距即為K結(jié)果)1 (PbKKa原理PAL
14、QKL1. 儲層巖石骨架構(gòu)成及構(gòu)造力的影響(1) 巖石骨架構(gòu)成(微觀因素)l 顆粒:組成和結(jié)構(gòu)(大小、分選、排列等)l 膠結(jié)物:含量、膠結(jié)類型等 骨架結(jié)構(gòu)決定巖石、S 大小 影響巖石K顆粒越粗,分選越好,膠結(jié)物含量越少,滲透率越高(2) 構(gòu)造力(宏觀因素)l 不同層理,滲透性不同l 同一層理,不同方向滲透性不同(順和垂直水流)u骨架結(jié)構(gòu)從微觀上決定了儲層滲透率的大小u沉積構(gòu)造在宏觀上決定了儲層滲透率的方向性 2. 儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響l Kl 孔隙越大K 越大l 孔道越彎曲K 越小l 孔隙連通度越低K 越小l 孔喉比越大K 越小孔隙結(jié)構(gòu)是影響巖石K的微觀因素孔隙度是影響K的宏觀因素,是微觀在宏觀
15、的表現(xiàn)3. 地靜壓力和地層溫度地靜壓力和地層溫度對巖石K 的影響具有互補關(guān)系:l 地靜壓力巖石Kl 地溫減小地靜壓力降低K 的作用 (T巖石骨架、流體膨脹)1、常規(guī)小巖心測定 適用:一般砂巖儲集層巖心 原理:Darcy定律610TALBK第四節(jié) 巖石滲透率的測定與計算室內(nèi)測定巖石滲透率2、全直徑巖心測定適用:含有較大的溶孔、溶洞、裂縫等非均質(zhì)較強的砂、礫巖儲層巖樣內(nèi)容:a)水平K 測定;b)垂直K 測定;c)徑向K 測定設(shè)備:全直徑巖心夾持器原理:Darcy定律(1)垂直滲透率測定(vertical)同常規(guī)小巖心測定 流體沿著垂直巖石層面方向線性流動時,測得的滲透率(2)水平滲透率測定(hor
16、izontal)流體沿著平行巖石層面方向線性流動時,測得的滲透率裝置計算公式)(2222100ppLpQEKa(混合單位)E 為形狀系數(shù),取決于濾網(wǎng)分配氣體的弓形角;三、巖石滲透率的實驗室測定(3)徑向滲透率測定(radial)流體在巖心中呈徑向線性流動時,測得的滲透率裝置計算公式(混合單位))()/ln(2221200PPhddpQKwede巖樣外徑dw 及孔眼內(nèi)徑P1進口壓力P2 出口壓力測定關(guān)鍵在巖心正中心鉆一小孔,使流體在巖心中呈徑向流動三、巖石滲透率的實驗室測定n 利用測井資料估算滲透率 bwiaScKl 按照平均孔隙半徑和孔隙 度計算滲透率 228rK用巖樣孔隙數(shù)據(jù)估算(基于等效滲
17、流阻力原理)等效滲流阻力原理:兩種巖石在其它條件相同時,若滲流阻力相等,則通過巖石的流量也相等思路:基于等效滲流阻力原理,即:第四節(jié) 巖石滲透率的測定與計算公式推導(dǎo):u巖石中流體滲流的達西公式:u毛管束模型:單位截面積中有n根等徑毛管,其它幾何尺寸、流體性質(zhì)、壓差與真實巖石同,據(jù)毛管滲流的泊稷葉(poiseuille)公式,得毛管束模型滲流時的流量LpAKQLprnAQ84據(jù)孔隙度定義:將代入則得巖石K 估算公式:228rK 據(jù)等效滲流阻力原理:=LprnALpKA8422rnALLrnA1、算術(shù)平均(arithmetic average) nnii1式中:n 為數(shù)據(jù)點數(shù); i 為數(shù)據(jù)點的孔隙
18、度; Ki 為數(shù)據(jù)點的滲透率。nKKnii1適用范圍:求單井、單層巖石參數(shù)平均值儲層巖石物性參數(shù)平均值處理方法主要有算術(shù)平均、加權(quán)平均和按物理過程平均三種2、加權(quán)平均(weighted average)(1)常規(guī)加權(quán)iiihhKKiiiAAKKiiiiihAhAKK方法公式適用對象厚度加權(quán)(垂向)求單井、小層、油層的物性參數(shù)平均值。面積加權(quán)(平面)求小層、油層的物性參數(shù)平均值。體積加權(quán)(空間)求油層組的物性參數(shù)平均值,動態(tài)研究中常用。第五節(jié) 儲層巖石參數(shù)的平均值處理方法(2)特殊平均方法nKKKKn/ )loglog(loglog21對數(shù)平均:nKKKKn11121倒數(shù)平均:)/(iiiKhh
19、K調(diào)和平均:nnKKKK21幾何平均:Kv平均值與垂向上K的平均值是兩個不同的概念3、按物理過程平均(常用于求組合層的巖石參數(shù)平均值) 該方法按動態(tài)流動過程求參數(shù)的平均值,按流動層段組合方式,可分為兩種類型: 串聯(lián)組合層(按物理過程平均)l組合層線性流動l組合層徑向流動 并聯(lián)組合層: 組合層線性流動(加權(quán)平均)油層中的小層合并并聯(lián)地層(多層縱向不均勻)的總滲透率直線滲流niiniiihhKhhhhKhKhKK113213322113、按物理過程平均(常用于求組合層的巖石參數(shù)平均值)并聯(lián)地層(多層縱向不均勻)的總滲透率平面徑向滲流niiniiihhKhhhhKhKhKK11321332211332211321KLKLKLLLLK串聯(lián)地層(多層縱向不均勻)的總滲透率直線滲流2312211111RRlKRRlKRRlKRRlKewwennnnniiiiweRRlKRRl111nn平面徑向滲流第六節(jié)第六節(jié) 毛管滲流模型及其應(yīng)用毛管滲流模型及其應(yīng)用毛細管束模型:等值滲流阻力原理:如果兩種巖石之間的外部形狀和幾何尺寸以及流體性質(zhì)和外加壓差相同時,若假想巖石與真實巖石的
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