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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（ 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： pVCV Tfp 上式可改写成： pVVC p T f / 1 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。 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 pPCe 0 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 图 4-1-1 单轴压缩仪 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 4-1-2 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。 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。 图 4-1-3 流体静力压缩仪 三轴压缩仪 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。 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。 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 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： L r PDP 100 式中， P 有效上覆压力， MPa； D 岩心的实际深度， m； r 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 56cm，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。 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。 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 =4.6% =7.1% =11.0% 0 7.0 14.0 21.0 28.0 35.0 有效上覆压力（ MPa） 孔 隙 体 积 压 缩 系 数 （10 -6 ） 表 4-1-1 岩石孔隙体积压缩系数测定数据表 样品号 有效上覆压力 （ MPa） 孔隙体积 （ cm3） 岩石体积 (cm3) 孔隙度 （ %） 孔隙体积压缩系数 （ 10-4MPa-1） 实测值 换成单轴应力状态值 A 1.36 5.99 78.72 7.6 6.52 5.93 78.66 7.5 20.58 12.55 12.63 5.86 78.59 7.5 18.96 11.57 18.50 5.80 78.53 7.4 14.85 9.06 25.09 5.74 78.47 7.3 13.38 8.16 31.35 5.70 78.43 7.3 12.20 7.44 37.95 5.65 78.38 7.2 10.88 6.63 44.61 5.61 78.34 7.2 9.70 5.92 51.44 5.58 78.31 7.1 4.26 5.29 B 1.36 2.16 58.00 3.7 6.52 2.13 57.97 3.7 43.22 26.31 9.26 2.09 57.93 3.6 42.78 26.17 14.10 2.04 57.88 3.5 42.48 25.87 20.11 1.99 57.83 3.4 35.43 21.61 26.99 1.95 57.79 3.4 29.99 18.23 34.15 1.91 57.75 3.3 24.84 15.14 42.05 1.88 57.71 3.3 18.66 11.39 48.64 1.86 57.68 3.2 12.35 7.53 55.52 1.85 57.67 3.2 3.23 1.97 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： 用小数表示渗透率比值 KK %K KK 渗透率降低百分数 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。 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 初 始 渗 透 率 （ 小 数 ） 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， 图 4-2-2 渗透率随有效应力增加而降低 围限压力 MPa 渗 透 率 降 低 % 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。 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）。 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。 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 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。 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。 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）。 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 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： A LR 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； 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： LRA / 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。 L LR R e w o Le a A L 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） ，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。 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。 A B C D 图 4-1-2 测定岩石电阻率装置示意图 用欧姆定律计算出样品的电阻： I Ur 用下式计算电阻率 R： L rAR 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 式中 F为地层因子， 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 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： Archie表达式为 mW oRRF 1 m aF 此时 a是 F和 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。 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： nwot SRRI / 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。 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： n t w n t ow R RF R RS n t Wm RR a 1 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 15%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。 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。 可能产生潜在的损害的主要原因是：该类粘土具有 较高的亲水性；蒙皂石包膜膨胀时变得疏松可移动；蒙 皂具有非常高的比表面。因此，如有相对较淡的水侵入 岩石孔隙，使粘土发生膨胀而缩小甚至封闭孔隙喉道， 导致渗透率大幅度下降。高含钠的蒙皂石可以膨胀 6 10倍（相对原始体积而言），岩石原来的表面包膜被这 种膨胀作用破坏；而且当粘土颗粒从岩石表面脱落而在 孔道中移动时，则可能对地层造成进一步的损害。由于 该族粘土有高的比表面和强亲水性，进而发生高的吸水 膨胀和饱和水不可逆性等，致使形成假水层，可导致电 测产生错误的解释。 （ 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。 矿物名称 位置 形状 晶体大小 高岭石 孔隙充填 书本堆集 书本长度有变化，可以是蠕 虫状，通常从 1m到 20m， 也可更大 绿泥石 颗粒包膜 假六方晶片 相互交叉 每片直径由 1m到 10m 伊利石 颗粒包膜 孔隙桥塞 粮秣状、板条状、 针状 单独晶体，通常为长度 1m到 1020m，板条或针状 蒙皂石及 伊 /蒙混层 颗粒包膜 孔隙桥塞 粮秣状、火焰状、 蜂窝状、颗粒包 膜 不易辨别的单独晶体 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） 自生粘土矿物的位置、形状及晶体大小等见表 4-5-1。 粘土矿物 可能引起的 问题 不配伍系统 配伍系统 消除措施 蒙皂石 膨胀 淡水 KCl，油基 酸化 HCl/HF 混层伊 /蒙 膨胀 淡水 KCl，油基 酸化 HCl/HF 伊利石 微孔隙 淡水 KCl，油基 酸化 HCl/HF 高岭石 微粒运移 高流速 低流速 粘土稳定剂 绿泥石 铁的沉淀 富氧， pH高于 3.5 HCl，加有机酸 用 HCl/HF 有机酸酸化 根据 Almon and Davics（ 1981） 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 2）粘土矿物的产状 储层中粘土矿物的产状及分布特点与沉积物的母岩、 沉积环境、水动力条件有密切关系。产状不同，对流体 流动的影响也不相同。根据电镜扫描，按对渗流影响由 小到大的顺序，可将粘土矿物产状分为以下几种类型 （图 4-5-1）。 图 4-5-1 砂岩中粘土矿物的产状 （据何更生 油层物理 ） a 斑点式 b 薄膜式 c 桥式 a.斑点式 一般多为高岭石和少量的针状云母、 蒙脱石等。像 “ 补丁 ” 一样不连续地附在孔隙壁或 充填在孔隙之间，使孔道变窄。（图 4-5-1.a）。 b.薄膜式 这种粘土矿物主要有伊利石、绿泥石、 蒙脱石等。它们颗粒较小，排列规则，围绕颗粒或 孔隙边缘呈环带薄膜生长，使通道变窄，对流体流 动有一定影响（图 4-5-1.b）。 c.桥式 这种粘土矿物多为绿泥石、伊利石（水云 母）。呈纤维状、针状在颗粒之间延伸，有时两边的 粘土矿物还连结起来，像 “ 桥 ” 一样横跨孔隙空间。 孔隙空间内又形成很多微孔隙，使流体在孔隙内迂回 流动，因而严重影响流体的渗流。 除上述主要的产状外，其它的还有高岭石叠片状， 伊 /蒙混层的絮凝状等，而且几种粘土矿物的产状类 型也不是单一出现的，有时是以某种类型为主，有时 是几种类型共存。 三、储层敏感性的评价方法 储层敏感性 评价是系统评价 地层损害的重要 组成部分，系统 评价是一个完整 的体系，它包括 岩石学分析、常 规岩心分析、特 殊岩心分析以及 岩心流动试验等 （图 4-5-2）。 图 4-5-2 储层损害评价程序框图 系统评价首先是通过岩相分析、常规岩心分 析了解储层的岩性、矿物组成、胶结物成分、粘 土含量、类型、岩心孔隙度、渗透率、孔喉分布 等，以研究储层可能潜在的损害因素。但是，岩 矿分析并不能给出造成损害强弱的定量数值。因 此，通过岩心流动试验，则可找出储层与外来流 体接触时可能产生速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸 敏等的敏感程度。通过系统的流体流动评价，找 出与该地层相配伍的流体，通过综合研究提出钻 井、完井、增产措施的设计和建议。 敏感性评价实验流程图如图 4-5-3所示。 图 4-5-3 敏感性评价实验流程 1. 煤油瓶； 2. 恒速泵； 3. 中间容器； 4. 过滤器； 5. 压力表； 6. 六通阀； 7. 岩心夹持器； 8. 计量筒 ； 9. 围压泵 1.流速敏感性评价实验 图 4-5-4 速度敏感性评价图 大量实验证明，微粒运移程度随岩石中流体流动速 度的增加而加剧。但不同岩石中的微粒，对速度增加的 反应不同，有的反应甚微，此岩石对速度不敏感。反之， 当流体流速增大时，则表现出渗透率明显下降。因此， 把注入（或产出）流体的流速逐渐增大到某一数值而引 起渗透率下降时的流动速度，称为该岩石的的临界流速 （见图 4-5-4）。 临界流速是油、水井生产时允许的最高产量 和最大日注水量以及室内进行其他流动实验的依 据。 实验的原理： 按一定的流量等级，以不同的注入速度向岩 心注入地层水，在各个注入速度下测定岩心在此 注入速度下的渗透率，从注入速度与渗透率的变 化曲线上，判断岩石对流速的敏感性，并找出该 岩石的临界速度。 2.水敏性评价实验 美国学者摩尔指出，一般油层中含粘土 1%5%是最 好的储层，若含粘土量达 5%20%则储层性能较差，尤其 是含水敏性粘土，则完全可能把油层孔道堵死。 地层条件下，粘土矿物与地层水处于相对平衡状态， 当其与矿化度较小的外来流体接触时，粘土便产生膨胀， 使岩石渗透率降低。 当地层与不配伍的外来流体接触时，引起粘土膨胀、 分散、运移而导致渗透率下降的现象称为水敏。因此，水 敏性评价实验目的就在于了解这一膨胀、分散、运移的过 程以及最终使地层渗透率下降的程度。 实验时，先用地层水流过岩心，再用矿化度为地层 水的一半的盐水（称次地层水）流过岩心，最后用蒸馏 水通过，测定在这三种矿化度下岩心渗透率的数值大小， 以此判断岩心的水敏程度（见图 4-5-5）。 图 4-5-5 水敏渗透率变化曲线 根据实验前所测岩心的克氏渗透率 K以及岩心 在蒸馏水下的渗透率 Kw，可得到水敏指数 Kw/K。 根据表 4-5-2提供的判断标准确定岩心的水敏程度。 表 4 - 5 - 2 由 K w / K 划分水敏程度 水敏指数 K w / K 3.0 K K w 0 .3 K K w 0 .7 0 .7 K K w 1 水敏性程度 强 中等 弱 如得到某一储层较多岩心的 Kw和 K值，则或将其 值点在 lgKw lgK上（图 4-5-6），图 4-5-6 水敏区 域图，从图中点子主要分布位置，来判断该储层的水敏 程度。 图 4-5-6 水敏区域图 实验表明，对于水敏性地层，随着盐度的下降，粘 土矿物晶层扩张增大，膨胀增加，地层渗透率则不断下 降。因此，盐敏评价实验的的目的就是了解地层岩心在 入井工作液矿化度不断下降或现场使用低矿化度盐水时， 其渗透率变化过程，从而找出渗透率明显下降的临界矿 化度（见图 4-5-7）。 图 4-5-7 盐敏试验曲线 3.盐度评价实验 4.碱敏性评价实验 地层水 pH值一般呈中性或弱碱性，而大多数钻井 液和水泥浆的 pH值在 812之间，当高 pH流体进入油气 层后，将造成油气层中粘土矿物和硅质胶结物的结构破 坏（主要是粘土矿物解理和胶图 4-5-7 盐敏试验曲线 结物溶解后释放颗粒），从而造成油气层的堵塞损害。 此外，大量氢氧根与某些二价阳离子结合后会生成不溶 物，也会造成油气层堵塞损害。因此，碱敏评价实验是 找出碱敏发生的临界 pH值，以及由碱敏引起的油气层 损害程度，为各类工作液的设计提供依据。 通过注入不同 pH值（由低到高）的地层水并测 定其渗透率，根据渗透率的变化来评价碱敏损害程 度。 1）从地层水的 pH值开始，逐级升高 pH值，最 后一级的 pH值可定为 12。 2）每一级 pH值地层水替换完毕后，需浸泡 2024h，然后在低于临界流速的条件下，用该级 盐水测定岩心稳定的渗透率 K1，直到最后一级盐水。 5.酸敏性评价实验 在酸化作业中，对不同的地层，应有不同的 酸液酸方。如果配方不合适或措施不当，不但不 会改善地层状况，反而会使地层受到二次伤害， 影响措施效果，使产量进一步降低，严重时，还 可能没有产量。 酸敏性评价实验的目的，就是为了评价拟用于酸 化的酸液是否会对地层产生伤害以及伤害的程度，以 便优选酸液配方，寻求更为有效的酸化处理方法。 酸敏是指酸化液进入地层后与地层中的酸敏矿物 发生反应，产生凝胶或沉淀或释放出微粒，使地层渗 透率下降的现象。 酸敏性评价时，首先测定注酸前的渗透率，然后 向岩心注入 0.51.0孔隙体积的酸液，模拟关井停注等 待酸岩反应，模拟开井返排残酸，再测定岩心注酸前 后的渗透率，最后对其作出评价 第六节 岩石的力学性质 一、概述 岩石是多孔介质，当其处在外部应力的作用下将 会产生弹性变形，岩石抵抗形变的性质则称为岩石的 力学性质。 岩石的力学特性参数包括： 弹性特征：包括岩石和各种弹性模量、刚度系数 和泊松比等； 强度特性：包括岩石的各种强度、内聚力和内磨 擦角等。 油气田开发过程中，由于地层压力降低，岩石 力学性质也随之产生变化，研究岩石力学性质的变 化规律，从而为岩石破碎、井眼稳定、地层破裂压 力预测、油层套管外载荷计算及设计，油气田开发 方案制订，油气井防砂，油气井水力压裂，地应力 预测等石油勘探开发研究提供准确的基础数据。 二、岩石力学参数的应用 目前与油气田开发相关的岩石力学理论，主要应 用于钻、完井工程、油气田开发和油气藏工程等领域， 在以上众多的研究方向上，油气田开发过程中的 岩石力学参数求取及变化规律、油气储层流固耦合理 论、水力压裂、地应力测试技术和流固耦合油气藏数 值模拟理论以及这些理论方法在油气田开发中的应用 等都是当前国内外研究的前缘课题。 三、地层条件下的岩石力学参数测试设备 目前国内岩石力学参数测试多数是在地面条件下进行，也 有定型产品，但适用于地层条件下样品测试的设备多为自行设 计加工而成，其使用和操作都不方便，精度也受到限制。 成都理工大学 “ 油气藏地质及开发工程 ” 国家重点实验室 设计通过国际招标由美国 MTS公司生产的当今国际上第一台能 够在地层条件下（常温 200 ） 0140MPa围压；孔隙压力 070MPa；轴压： 01000kN）同时动态测试油气储层岩石力 学参数（静态杨氏模量、泊松比、抗压强度等）、储层物性参 数（孔隙度、渗透率）和声波速度（ P波和 S1， S2波）的 “ 岩 石物理参数自动测试系统 ” ，可以测试绝大部分油气储层在 6km以内深度的物性参数。 测试系统由数字电液伺服刚性岩石力学试验系 统、岩石超声波（ P波和 S1， S2波）测量系统以及岩 石孔隙体积变化量和渗透率测试系统三大部分构成。 系统可在单轴、三轴加载（包括温度模拟）条件下测 试岩石变形性质，获得岩石的极限抗压强度、杨氏模 量、泊松比、剪切强度等；也可同时测试岩石在不同 应力（单轴、三轴、孔隙压力）、温度条件下纵横波 的传播速度，获得岩石的各种动弹性参数；还可以测 试各种应力（轴压、围压）及孔隙压力条件下岩石孔 隙度和渗透率的变化。 1.“MTS岩石物理参数测试系统 ” 的岩石力学测试部分 图 4-6-1 MTS系统基本控制原理图 系统控制原理见图 4-6-1。 系统可做岩石单轴抗压、三轴压、巴西劈裂（抗 张强度）、控制加载方式试验、应变路径试验、应 力 应变全过程及残余强度测试、疲劳试验、蠕变试 验和孔隙体积压缩试验，从而得到不同地层环境（围 压、温度、孔隙压力）条件下岩石的各种模量、泊松 比等；石在不同应力组合条件下的抗压、抗拉强度、 内聚力和内磨擦角等；岩石蠕变特性；岩石原始地应 力特性；岩石压缩特性；有效应力系数，岩石颗粒及 孔隙压缩系数。 2.高温高压岩石波速测试 多孔介质中声波传播的物理模型很多，但由于 组成岩石的矿物多样性，岩石孔隙空间结构的复杂 性，孔隙中流体的多样性以及岩石所处地层环境条 件的差异等原因，导致理论预测结果与实验结果有 较大差别。因此在地层条件下对岩石声学参数（声 波、声衰减、声频谱变化等）的研究，以及这些参 数与物性参数隙度、渗透率、含水（油、气）饱和 度间关系的实验研究，将是声波测井资料解释的基 础。 图 4-6-2 MTS超声波测试系统组成框图 超声波测试系统的组成框图如图 4-6-2所示。 a）孔隙流体对波速的影响 岩石孔隙中如果充满了水或油，其波速将比干燥岩石 高。图 4-6-4表示同一块样品在干燥、水饱和及油饱和三 种情况下，波速随压力和温度的变化曲线。图 4-6-4 砂 岩样品在干燥、水饱和及油饱和三种情况下波速随压力 和温度的变化曲线。 图 4-6-4 砂岩样品在干燥、水饱和及油 饱和三种情况下波速随压力和温度的变 化曲线 （据施行觉等， 1998） 岩石中流体饱和度对波速的影响见图 4-6-5。 图 4-6-5 纵横波速度随水饱和度的 变化曲线 （据施行觉等， 1998） b）孔隙压力对纵横波速度的影响 图 4-6-6表示在围压 75MPa，温度 125 条件下，改 变孔隙压力测量的岩石波速变化。 由图可见，纵横波速度随着孔压的升高而降低。因 此在有孔隙压力存在时，岩石的波速变化主要受有效压 力（围压与孔压之差）控制。有效压力增加波速增大， 反之亦然。 图 4-6-6 纵横波速度随孔隙压力的变化关系 （砂岩样品，围压 75MPa，温度 125 ） 参 考 文 献 1 王允诚主编 .油层物理学 .北京 :石油工业出版社， 1993 2 沈平平等编著 .油层物理实验技术 .北京石油工业出版社， 1995 3 王允诚等编著 .裂缝性致密油气储集层 .北京 :地质出版社， 1992 4 何更生编 .油层物理 .北京 :石油工业出版社 ,1994 5 向 阳编 .油气储集层岩石物理研究方法 .四川 :四川科学技术出版 社， 1994 6 王允诚主编 .气藏地质 .北京 :石油工业出版社， 2004