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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。. 孔隙体积的减少（ ΔV P ） 与地层岩石体积大小或实验岩样外表总体积（ V T ） 的大小、地层压力的降低幅度（ ΔP ） 以及岩石本身的弹性压缩系数 C f 有关：.
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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。
孔隙体积的减少（ΔVP）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（ΔP）以及岩石本身的弹性压缩系数Cf有关：孔隙体积的减少（ΔVP）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（ΔP）以及岩石本身的弹性压缩系数Cf有关： 上式可改写成： 式中,Cf——岩石的压缩系数，10-4MPa-1； VT——岩石总体积，cm3； ΔVP——油层压力降低ΔP时，孔隙体积减小值，cm3。
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。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 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。
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，该装置可直接测量相应地层有效上覆压力下的岩石压缩性。 图4-1-1 单轴压缩仪
图4-1-2 三轴压缩仪 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4-1-3），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。
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。
图4-1-4 孔隙体积变化装置 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4-1-5 有效应力的氦气岩石孔隙体积压缩、孔隙度测定装置 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。
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： 式中，P——有效上覆压力，MPa； D——岩心的实际深度，m； ——上覆岩石的平均密度，g/cm3； PL——孔隙压力，MPa。
3.实验测定方法 实验室测定一般用长度5~6cm，直径2.5cm岩心，先用有机溶剂冼净烘干，套上热缩管，然后放在夹持器内，以1.4MPa的环压密封岩心。用氦气法测定岩样孔隙体积及孔隙度，然后抽空饱和盐水。 1）岩心烘干，测定孔隙度； 2）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，恒温至少1小时，然后按选定的压力间隔，逐渐提高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。
孔隙体积压缩系数（10-6） 0 7.0 14.0 21.0 28.0 35.0 有效上覆压力（MPa） 图4-1-8 孔隙体积压缩系数与有效上覆压力及孔隙度的关系 Ф=4.6% Ф=7.1% Ф=11.0% 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，因而对于低渗透油气田更应该开展此项实验工作。
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：
初始渗透率（小数） 有效上覆压力（MPa） 图4-2-1 渗透率降低与有效上覆压力的关系曲线 A 胶结砂岩 B 易碎的（疏松的）砂岩 C 未胶结砂岩 二、压力和温度对渗透率的影响 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越大时，渗透率相应减小，当压力超过某一数值（20MPa）时，渗透率K就急剧下降。对泥质砂岩，渗透率减小得更厉害，甚至降为零。
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，
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。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。
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。
图4-3-1 有效应力下的水平单向流动压汞仪 1.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）。
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。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。
图4-3-2 不同孔隙介质的毛管压力曲线 2.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。
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。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。
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 3.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。
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。
泥质（指粘土矿物及其束缚和吸附的水）也使地层具有导电性。泥质颗粒表面导电性的大小取决于泥质的成分、含量与分布情况，以及地层水的组分和相对含量。 电阻率是描述物质中电荷迁移难易程度的物理量，它是边长为1M的立方体物质的电阻。 在物理学中，导体的电阻可用如下公式表示： 式中，R——导体的电阻，欧姆； L——导体的长度，米； A——导体的横截面积，平方米；
ρ为导体的电阻率，它描述导体的物理物质，即是说，长度、直径一样的导体，其电阻的大小取决于导体的材料组成，只与材料有关。对上式变形后可得到：ρ为导体的电阻率，它描述导体的物理物质，即是说，长度、直径一样的导体，其电阻的大小取决于导体的材料组成，只与材料有关。对上式变形后可得到： 式中，A、L是导体的外观几何尺寸，实验室测定岩石的电阻率，通常是在室温和近似1个大气压条件下测定。为了使测定的结果能反映地层实际，测试必须在油层温度和上覆压力下进行。
Le a L A 图4-1-1 电阻率测试的孔隙介质模型 100%含盐水饱和度岩样的电阻率Ro正比于地层水的电阻率Rw，反比于含水总量（即孔隙度）Ф，正比于岩样的迂曲度Le / L，如图4-1-1所示。 即 式中，Le——岩样内孔隙长度； L——岩样长度。
A C D B 图4-1-2 测定岩石电阻率装置示意图 2.电阻率测定装置 实验室有多种测量岩石电阻率的装置。测试时需要测定岩石外观几何尺寸、岩石内流体的饱和度，饱含在岩石孔隙中水的电阻率。 图4-1-2是一个简单的电阻率测定装置的示意图。把被测岩样紧夹在两个电极A、B之间，测量通过电极A（B）流经岩样至B（A）时的电流和电极C、D之间的电压。
用欧姆定律计算出样品的电阻： 用下式计算电阻率R： 式中，U——电压降，伏； I——电流，安培； r——电阻，欧姆； A——样品的横截面积，平方米； L——电极B和C之间的距离，米。
3.岩电参数 1）地层电阻率因子“F” 地层电阻率因子F（或称地层因子）,是100%盐水饱和岩样的电阻率与地层水电阻率之比值。它是研究地层电性最基本的参数
Archie表达式为 式中F为地层因子，Ф为孔隙度，m为胶结指数或孔隙度指数，m是在双对数坐标纸上地层因子F与孔隙度Ф的直线关系的斜率。常温、常压下，m的理论值为1到2，对胶结砂岩，m可能在1.8到2.0之间，非胶结的干净砂岩m为1.3左右。 通常人们也把地层因子写成另一个普遍使用的关系式： 此时a是F和Ф在双对数坐标纸上的截距，它是迂曲度的函数。
通常上述实验是在室温条件下进行，没有上覆压力和温度，因而求得的孔隙度与地层因子关系图也是在没有上覆压力、温度条件下的图和值。通常上述实验是在室温条件下进行，没有上覆压力和温度，因而求得的孔隙度与地层因子关系图也是在没有上覆压力、温度条件下的图和值。 然而，上覆压力、温度确实可以改变电阻率和孔隙度。一般情况下，上覆压力增加电阻率有较大的增加，而温度的增加则使电阻率大幅度降低。特别是胶结差的岩样和低孔隙度的岩样，其孔隙度随上覆压力增加而降低。必需考虑上覆压力、温度对孔隙度和电阻率的影响。
2）电阻率指数 电阻率指数定义为任意油（气）、水饱和度时岩样的电阻率Rt与百分之百饱和水时岩样的电阻率Ro之比值。由于油和气是不导电的，因此它的出现，将减少电流的导电能力，从而增加电阻率，也就是随油（气）饱和度的增加，岩石电阻率也将增加。即： 式中，Rt——含有某一油（气）、水饱和度时岩样的电阻率； Ro——百分之百水饱和度时岩样的电阻率； Sw——岩样的含水饱和度； n——饱和度指数 从上式中可以看出，电阻率指数是水饱和度的函数，当然它也是孔隙结构的函数。
实验室测定不同含水饱和度下的电阻率，至少应在3个不同饱和度值下测定，最好能测5个或5个以上不同饱和度值下的电阻率，用I和水饱和度Sw作图，这样就可以得到该岩样的饱和度指数n。实验室测定不同含水饱和度下的电阻率，至少应在3个不同饱和度值下测定，最好能测5个或5个以上不同饱和度值下的电阻率，用I和水饱和度Sw作图，这样就可以得到该岩样的饱和度指数n。 根据100%饱和水电阻率和不同水饱和度电阻率的测定结果则可从电测资料上确定油层的含水饱和度： 式中符号同前。
第五节 储层岩石的敏感性 随着对储层研究的进一步深入，除了进行常规的孔、渗、饱、孔隙结构等的研究外，还必须对储层岩心进行敏感性评价，以确定储层与入井工作液接触时，可能产生的潜在危险以及对储层可能造成伤害的程度。 由于各种敏感性多来自于砂岩中的粘土矿物，因此，它们的矿物组成、含量、分布以及在孔隙中的产出状态等将直接影响储层的各种敏感性，所以先简单讨论岩石的胶结物和胶结类型，再讨论胶结物中的各种敏感矿物及研究敏感性的方法。
一、胶结物及胶结类型 胶结物的出现总是使储集物性变差，而且，储集物性随胶结物含量的增加而变差。胶结物的成分可分为泥质、钙质（灰质）、硫酸盐、硅质和铁质，而常见的是泥质和灰质。 胶结物的含量、胶结类型直接影响岩石的储集物性，但就储层敏感性而言，则是受胶结物中所含敏感矿物的类型、含量以及在孔隙中的产状影响。
二、油气储层损害的潜在因素—粘土矿物 油气层中不同程度地含有粘土矿物，当粘土矿物含量在1~5%时，则是较好的油气层，粘土矿物含量超过10%的，一般为较差的油气层。油气层中粘土矿物的类型、数量、分布，以及在孔隙中所处的位置，不仅对储层岩石的储渗条件及储层评价有明显的控制作用，而且对控制伤害油气层也具有十分重要的意义。有关文献报道，由粘土矿物造成对油气层伤害的，有时可使产量下降70%。因此，在钻开油层，完井、注水、增产措施之前，必须对储层所含粘土矿物进行分析研究。
1.储层中的粘土矿物 碎屑岩中的粘土矿物有他生及自生因两种类型。 他生成因的粘土矿物是沉积作用以前形成的，在沉积场所与砂粒混杂在一起同时沉积。 自生粘土矿物是沉积以后发育的，包括新生及再生两种形式，自生粘土矿物在碎屑岩中有下列产状：即孔隙衬里、孔隙充填（包括裂隙充填）及假晶交代。
以孔隙衬里（或颗粒表面包被）形式存在的粘土矿物，对油气层渗透率的影响十分严重。而以孔隙充填形式存在的粘土（如高岭石）矿物，它可聚结成一定粒度的颗粒，也可以被搬运，在流体高流速或压力激励作用下，它可以运移而堵塞喉道。另外，粘土矿物因处在颗粒或孔隙表面，易受外来液体作用发生水化、溶解等，而且粘土常具有很高的比表面积，因此，当其与各种入侵流体发生各种化学反应时，反应速度很快而且强烈，对地层渗透率的影响不容忽视。以孔隙衬里（或颗粒表面包被）形式存在的粘土矿物，对油气层渗透率的影响十分严重。而以孔隙充填形式存在的粘土（如高岭石）矿物，它可聚结成一定粒度的颗粒，也可以被搬运，在流体高流速或压力激励作用下，它可以运移而堵塞喉道。另外，粘土矿物因处在颗粒或孔隙表面，易受外来液体作用发生水化、溶解等，而且粘土常具有很高的比表面积，因此，当其与各种入侵流体发生各种化学反应时，反应速度很快而且强烈，对地层渗透率的影响不容忽视。
1）常见粘土矿物的类型、特征及对油气层的影响1）常见粘土矿物的类型、特征及对油气层的影响 储层中常见粘土矿物有：高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、伊/蒙混层及绿/蒙混层。 （1）高岭石 高岭石粒较大，在颗粒表面附着不紧，所以，它是油气层中产生颗粒运移的基础物质之一。当外来流体或油气层中流体以较大流速流经孔隙通道，产生较大的剪切力时，疏松的具有一定粒度的高岭石或随着流体在孔道中发生移动，在喉道处形成堵塞。
（2）蒙皂石 蒙皂石是水敏性粘土，包括蒙脱石、绿脱石、皂石和混层粘土矿物，这些粘土矿物在结构上与水云母粘土矿物相似，但键合力较弱，多埋藏在浅层。蒙皂石晶体细小，单晶形态为卷曲片状、集合体呈花瓣状、蜂窝状。砂岩中自生蒙皂石常作为碎屑颗粒的包膜，呈栉壳状围绕颗粒生长，或作为孔隙衬里产出。遇水后有较高的膨胀性能。
（3）伊利石 伊利石与蒙脱石结构相似，区别是遇水后没有晶层扩张。伊利石晶体细小。扫描电镜下常为不规则片状，自生的常有尖刺，甚至构成帚状、粮秣状、板条状等，常呈颗粒包膜及孔隙桥塞。 伊利石对水有一定的敏感性，具有一定的膨胀分散性。它可使油层孔道直径缩小，把水封闭起来形成高的不可逆的水饱和。伊利石亦可能在孔隙中生成毛发状的结晶，这种结晶对油层渗透率的影响相当严重。当存在淡水时，纤维状的伊利石聚集物可能进一步分散而降低渗透率；若在开采前这些毛发状的伊利石不能被溶解掉，当有液体流动时，就可能受剪切冲击碎断而落入孔隙形成堵塞物。
（4）绿泥石 在储集岩中，绿泥石多为自生成因，呈六方薄片状自形晶，互相交叉，或围绕砂岩中碎屑颗粒呈栉壳环边生长，或作为孔隙衬里附于孔隙壁上。绿泥石是在富含镁和铁离子的环境中生成的粘土矿物，它对酸比较敏感。当其在酸中浸泡时，它被溶解，铁被释放出来。当酸耗尽或其它低酸性溶剂进入，则形成Fe（OH）3的凝胶物。这种Fe（OH）3是一种片状结晶，通常它的体积要比喉道大，所以常常堵塞喉道。
5）伊/蒙混层和绿/蒙混层 它们是储集岩中常见的两类混层粘土矿物。其化学组成分别介于伊利石、蒙皂石之间和绿泥石、蒙皂石之间。这两类混层粘土矿物均含有膨胀层，即蒙皂层，因而具有与蒙皂石类似的膨胀性。膨胀率随混层中蒙皂石层的含量不同而相应变化。此外，混层绿泥石/蒙皂石也具有与绿泥石类似的酸敏性，敏感程度同样决定于绿泥石层的含量。 扫描电镜下，混层伊利石/蒙皂石呈不规则片状，略有卷曲，常作为碎屑颗粒的包膜和孔隙衬里产出，亦可作为孔隙充填物的形式出现，也可形成桥塞。
自生粘土矿物的位置、形状及晶体大小等见表4-5-1。自生粘土矿物的位置、形状及晶体大小等见表4-5-1。 表4-5-1 自生粘土矿物的习性 根据粘土矿物学，SEPM短期讲座NO.22教材，E.Eslinger及D.Pevear编，（1988）
各类粘土矿物对油层的损害情况及相应消除措施见表4-5-2。各类粘土矿物对油层的损害情况及相应消除措施见表4-5-2。 表4-5-2 不同粘土矿物引起的地层损害情况及消除措施简表 根据Almon and Davics（1981）
