孔隙度及渗透率测量方法

2 0 2 1 -5 -1 9 1 第 4 章 孔 隙 度 、 渗 透 率 测 量 方 法主 讲 人 : 韩 学 辉 博 士 (后 ) 2 0 2 1 -5 -1 9 2 主 要 内 容4.1储 层 的 概 念 研 究 储 层 孔 隙 度 和 渗 透 率 的 意 义4.2储 层 孔 隙 度 的 基 本 概 念 及 测 量 原 理 4.3储 层 绝 对 渗 透 率 的 基 本 概 念 及 测 量 原 理 4.4孔 隙 度 和 渗 透 率 之 间 的 关 系4.5实 验 测 量 孔 隙 度 、 渗 透 率 的 工 程 应 用 2 0 2 1 -5 -1 9 3 4.1储 层 的 概 念 研 究 储 层 孔 隙 度 和 渗 透 率 的 意 义4.1.1储 层 的 概 念 在 自 然 界 中 ， 并 非 所 有 的 岩 石 均 能 储 存 油 、 气 。 在 石 油 地 质 学 中 ，把 能 够 储 存 油 气 并 能 使 油 气 在 一 定 压 差 条 件 下 流 动 的 岩 石 称 为 储 层 。 根 据 上 述 定 义 可 知 ， 储 层 必 须 具 备 两 个 条 件 ： 即 孔 隙 性 和 渗 透 性 。 二 者 作 为 储 层 的 充 分 必 要 条 件 ， 缺 一 不 可 。 如 页 岩 就 很 难 作 为 储 层 。 岩 性孔 隙 性油 气 注 入油 气 流 出 渗 透 性 骨 架 性 质油 气 储 集 能 力油 气 运 移 能 力 储 层储 层 概 念 图 解 2 0 2 1 -5 -1 9 4 按 储 层 的 定 义 ， 可 将 储 层 的 孔 隙 性 和 渗 透 性 称 为 储 油 物 性 。 其 中 ： 储层 的 孔 隙 性 包 含 孔 隙 类 型 和 孔 隙 结 构 两 个 方 面 的 内 容 ， 它 们 的 特 征 决 定了 油 气 在 其 中 分 布 的 特 征 和 储 存 的 数 量 ； 储 层 的 渗 透 性 是 在 孔 隙 性 以 及骨 架 双 重 影 响 下 ， 含 油 气 储 层 中 不 同 流 体 运 移 能 力 的 表 现 (隐 含 了 相 对 渗透 率 的 概 念 )， 决 定 了 储 层 开 发 后 的 产 液 性 质 和 能 力 。孔 隙 性 渗 透 性岩 性孔隙类型 孔隙结构物 性 绝对渗透率 相对渗透率 岩矿组合 结构、构造 储 层油 气 注 入 含 油 气 储 层 (饱 和 度 ) 含 油 性油 气 产 出 产 层储 层 要 素 及 概 念 延 伸 2 0 2 1 -5 -1 9 5 4.1.2研 究 储 层 孔 隙 度 和 渗 透 率 的 意 义 1)作 为 孔 隙 结 构 参 数 之 一 的 孔 隙 度 ， 表 征 了 储 层 容 纳 油 气 的 能 力 (体积 )， 是 含 油 气 饱 和 度 估 算 、 容 积 法 等 储 量 评 价 的 重 要 参 数 之 一 。 2)渗 透 率 表 征 了 含 油 气 储 层 运 移 能 力 ， 是 储 层 产 液 性 质 以 及 产 能 评 价的 重 要 参 数 。 因 此 ， 储 层 孔 隙 度 和 渗 透 率 的 评 价 对 含 油 气 储 层 的 勘 探 和 开 发 而 言 具有 重 要 的 意 义 。地 层 ? ?岩 性砂 岩泥 岩石 灰 岩 ? ?含 油 性SoSwSg 油 层气 层水 层物 性 评 价 含 油 性 评 价 油 水 层 划 分储 层 评 价 的 一 般 流 程?渗 透 层干 层渗 透 层 识 别岩 性 划 分 试 油试 水资 料物 性K 2 0 2 1 -5 -1 9 6 4.2储 层 的 孔 隙 度 的 基 本 概 念 及 测 量 原 理 储 集 层 的 孔 隙 性 在 石 油 与 天 然 气 地 质 学 中 是 指 储 集层 中 孔 隙 空 间 的 形 状 、 大 小 、 连 通 性 与 发 育 程 度 。 地 壳 中不 存 在 没 有 孔 隙 的 岩 石 ， 可 是 不 同 的 岩 石 ， 其 孔 隙 大 小 、形 状 和 发 育 程 度 是 不 同 的 。 石 油 和 天 然 气 在 地 下 是 储 存 在岩 石 的 孔 隙 中 的 。 因 此 ， 岩 石 的 孔 隙 发 育 程 度 将 直 接 影 响岩 石 中 储 存 油 气 的 数 量 。 为 了 度 量 岩 石 孔 隙 的 发 育 程 度 ， 提 出 了 孔 隙 度 (率 )的概 念 。 孔 隙 度 指 岩 石 孔 隙 体 积 与 岩 石 体 积 之 比 值 (以 百 分数 表 示 )。 根 据 研 究 目 的 不 同 ， 孔 隙 度 又 可 分 为 绝 对 (总 )孔 隙 度 、 有 效 孔 隙 度 。 2 0 2 1 -5 -1 9 7 4.2.1绝 对 (总 )孔 隙 度 岩 石 中 全 部 孔 隙 体 积 称 为 总 孔 隙 或 绝 对 孔 隙 。 总 孔 隙 (Vp)和 岩 石 总 体积 (Vt)之 比 (以 百 分 数 表 示 )就 叫 做 岩 石 的 总 孔 隙 度 或 绝 对 孔 隙 度 (t)。 可用 公 式 表 示 如 下 ： t=VP/VT 100%VT=VP+VG 孔 隙 度 反 映 储 集 层 储 集 流 体 的 能 力 。 储 集 岩 的 总 孔 隙 度 越 大 ， 说 明 岩 石 中 孔 隙 空 间 越 多 ， 但 是 它 不 能 说 明 流 体 是 否 能 在 其 中 流 动 。 岩 石 中不 同 大 小 的 孔 隙 对 流 体 的 储 存 和 所 起 的 作 用 是 完 全 不 同 的 。 VGVP VT岩 石 岩 石 体 积 模 型总 孔 隙 度 的 概 念 模 型 2 0 2 1 -5 -1 9 8 4.2.2按 孔 隙 大 小 (孔 径 或 裂 缝 的 宽 度 )的 孔 隙 分 类 根 据 岩 石 中 孔 隙 大 小 及 其 对 流 体 作 用 的 不 同 ， 可 将 孔 隙 划 分 为三 种 类 型 : 1)超 毛 细 管 孔 隙 ： 孔 隙 直 径 大 于 0.5mm或 裂 缝 宽 度 大 于 0.25mm者 。 在 此 类孔 隙 中 ， 流 体 可 在 重 力 作 用 下 自 由 流 动 ， 也 可 以 出 现 较 高 的 流 速 ， 甚 至 出 现涡 流 。 岩 石 中 的 大 裂 缝 、 溶 洞 及 未 胶 结 的 或 胶 结 疏 松 的 砂 岩 的 孔 隙 大 多 属 于此 类 。 2)毛 细 管 孔 隙 ： 孔 隙 直 径 介 于 0.5-0.0002mm之 间 ， 裂 缝 宽 度 介 于 0.25-0.0001mm之 间 者 。 在 此 类 孔 隙 中 ， 无 论 是 在 液 体 质 点 之 间 ， 还 是 液 体 和 孔 隙壁 之 间 均 处 于 分 子 引 力 作 用 之 下 ， 由 于 毛 细 管 力 的 作 用 ， 流 体 不 能 自 由 流 动。 只 有 在 外 力 大 于 毛 细 管 阻 力 的 情 况 下 ， 液 体 才 能 在 其 中 流 动 。 微 裂 缝 和 一般 砂 岩 的 孔 隙 多 属 此 类 。 3)微 毛 细 管 孔 隙 ： 孔 隙 直 径 小 于 0.0002mm， 裂 缝 宽 度 小 于 0.0001mm者 。 在此 类 孔 隙 中 ， 流 体 与 周 围 介 质 分 子 之 间 的 引 力 往 往 很 大 ， 要 使 流 体 移 动 需 要 非 常 高 的 压 力 梯 度 ， 这 在 油 层 条 件 下 一 般 是 达 不 到 的 。 因 此 ， 实 际 上 液 体 是不 能 沿 微 毛 细 管 孔 隙 移 动 的 。 泥 页 岩 中 的 孔 隙 一 般 属 于 此 类 型 。 2 0 2 1 -5 -1 9 9 4.2.3有 效 孔 隙 度 因 此 ， 从 实 用 的 角 度 出 发 ， 只 有 那 些 彼 此 连 通 的 超 毛 细 管孔 隙 和 毛 细 管 孔 隙 才 是 有 效 的 油 气 储 集 空 间 ， 即 有 效 孔 隙 。 因为 它 们 不 仅 能 储 存 油 气 ， 而 且 可 以 允 许 油 气 渗 滤 ； 而 那 些 孤 立的 互 不 连 通 的 孔 隙 和 微 毛 细 管 孔 隙 ， 即 使 其 中 储 存 有 油 和 气 ，在 现 代 工 艺 条 件 下 ， 也 不 能 开 采 出 来 ， 所 以 这 些 孔 隙 是 没 有 什么 实 际 意 义 的 。 为 了 研 究 孔 隙 对 油 、 气 储 存 的 有 效 性 ， 在 生 产实 践 中 ， 人 们 又 提 出 有 效 孔 隙 度 (率 )的 概 念 。 有 效 孔 隙 度 ( e)是 指 岩 石 中 参 与 渗 流 的 连 通 孔 隙 总 体 积 (Ve)与 岩 石 总 体 积 (VT)的 比 值 (以 百 分 数 表 示 )。 可 用 下 式 表 示 ： e=Ve/VT 100% 2 0 2 1 -5 -1 9 1 0 显 然 ， 同 一 岩 石 的 绝 对 孔 隙 度 大 于 其 有 效 孔 隙 度 ， 即te。 对 未 胶 结 的 砂 层 和 胶 结 不 甚 致 密 的 砂 岩 ， 二 者 相 差不 大 ； 而 对 于 胶 结 致 密 的 砂 岩 和 碳 酸 盐 岩 ， 二 者 可 有 很 大 的差 异 。 一 般 有 效 孔 隙 度 占 总 孔 隙 度 的 40%75%(据 F.K. 诺 斯 ，1984)。 在 含 油 气 层 工 业 评 价 时 ， 只 有 有 效 孔 隙 度 才 有 真 正 的 意义 ， 因 此 目 前 生 产 单 位 一 般 所 用 的 都 是 有 效 孔 隙 度 。 习 惯 上把 有 效 孔 隙 度 简 称 为 孔 隙 度 。 VGVP VT岩 石 岩 石 体 积 模 型有 效 孔 隙 度 的 概 念 模 型 Ve 2 0 2 1 -5 -1 9 1 1 4.2.4孔 隙 度 测 量 的 基 本 原 理 孔 隙 度 就 是 指 岩 石 孔 隙 体 积 与 岩 石 外 表 体 积 的 比 值 。%100)1(%100%100 TGT GTTP VVVVVVV TV式 中 ： 为 岩 样 总 体 积 ， )( 3cm 为 岩 石 孔 隙 体 积 ，PVGV 为 岩 石 骨 架 体 积 ， )( 3cm )( 3cm VGVp VT 由 孔 隙 度 定 义 ， 孔 隙 度 的 实 验 测 量 过 程 可 拆 解 为 测 量 岩 样总 体 积 、 孔 隙 体 积 、 骨 架 体 积 中 的 某 2个 的 过 程 。 岩 石 体 积 模 型 2 0 2 1 -5 -1 9 1 2 1)岩 样 总 体 积 测 定(1)游 标 卡 尺 法原 理 ： 几 何 学 知 识 。适 用 条 件 ： 几 何 形 状 规 整 的 岩 样实 验 器 材 ： 游 标 卡 尺 ( 0.02mm)方 法 ： 以 圆 柱 体 为 例 a长 度 L测 量 ： 平 行 于 圆 柱 体 轴 向 ， 在 柱 体 周 边 ， 每隔 1/4周 长 测 1次 长 度 ， 取 4次 测 量 的 算 术 平 均 值 。 b直 径 D测 量 ： 垂 直 于 圆 柱 体 轴 向 ， 在 两 个 端 面 上 ，互 相 垂 直 各 测 2次 ， 取 4次 测 量 的 算 术 平 均 值 。计 算 公 式 ： LDVT 241 2 0 2 1 -5 -1 9 1 3 (2)封 蜡 排 液 法原 理 ： 阿 基 米 德 定 律 。适 用 条 件 ： 外 形 不 规 则 或 者 有 孔 洞 的 岩 样 。实 验 器 材 ： 天 平 ( 0.001g)、 烧 杯 、 支 架 、 吊 网 、 温 度 计 、恒 温 水 浴 、 坩 埚 、 石 蜡 、 蒸 馏 水 。方 法 ： a清 理 干 净 岩 样 ， 称 其 质 量 m1； b放 入 一 定 温 度 (6090 )石 蜡 中 涂 封 ， 称 取 封 蜡 后 质 量 m2; c浸 没 在 水 中 称 质 量 m 3。计 算 公 式 ： cwT mmmmV 1232 w 为 蒸 馏 水 密 度 ， g/l；式 中 ： w 为 石 蜡 密 度 ， g/l。 2 0 2 1 -5 -1 9 1 4 岩 样 (视 )密 度 ： Tr Vm1注 意 ： 岩 样 密 度 测 量 方 法 采 用 封 蜡 排 液 法 。 2 0 2 1 -5 -1 9 1 5 (3)液 体 饱 和 排 液 法原 理 ： 阿 基 米 德 定 律 。适 用 条 件 ： 外 形 不 规 则 或 规 则 的 饱 和 岩 样 ， 饱 和 液 体 不 会 使 骨架 矿 物 膨 胀 改 变 孔 隙 度 。 煤 油 法 是 其 中 一 种 。实 验 器 材 ： 天 平 ( 0.001g)、 烧 杯 、 支 架 、 饱 和 岩 样 的 液 体 (通 常是 盐 水 或 煤 油 )。方 法 ： a在 空 气 中 称 取 饱 和 样 m1; b浸 没 在 饱 和 溶 液 中 称 质 量 m 2。计 算 公 式 ： fT mmV 21 f 为 饱 和 溶 液 密 度 ， g/l。式 中 ： 2 0 2 1 -5 -1 9 1 6 2)岩 样 骨 架 体 积 测 定氦 气 法 原 理 ： 波 义 耳 -马 略 特 定 律 。适 用 条 件 ： 较 规 则 的 圆 柱 形 岩 样 、 块 状 样 。仪 器 设 备 ： 氦 孔 隙 度 仪 、 氦 (氮 )气 、 气 压 计 、 标 准 块 。方 法 ： 已 知 室 岩 心 室压 力 表 阀 门 (1)方 法 原 理 气 体 在 体 积 Vk与 所 测 压 力Pk下 等 温 膨 胀 到 未 知 室 体 积 V中 ， 膨 胀 后 测 量 最 终 平 衡 压力 P， 这 个 平 衡 压 力 取 决 于 未知 体 积 量 V， 未 知 体 积 V可 以用 波 义 耳 定 律 求 得 ， 有 ： PVPVPV kkk . PPPVV kk /)( CVPVP 2211 VVkPk P 2 0 2 1 -5 -1 9 1 7 对 于 低 压 真 实 气 体 ， 在 弹 性 体 积 中 作 等 温 膨 胀 ， 考 虑 到器 壁 的 压 变 性 ， 忽 略 一 些 次 要 因 素 ， 计 算 由 下 式 表 示 ： PPGPPPP PPVV kokk op 为 当 地 当 时 大 气 压 (MPa)； G为 体 系 的 压 变 系 数 。 可 知 ， 若 已 知 Pk、 Vk、 G， 待 测 体 积 只 是 平 衡 压 力 P的 函 数 ， 只 要 测 定 平 衡 压 力 P就 可 以 了 。式 中 ， 2 0 2 1 -5 -1 9 1 8 (2)Vk、 G的 标 定测 量 a岩 样 杯 中 装 满 钢 块 时 的 平 衡 压 力 P1； b从 杯 中 取 出 第 一 号 钢 块 后 的 平 衡 压 力 P2； c从 杯 中 取 出 第 三 号 钢 块 （ 装 进 第 一 号 钢 块 ） 的 平 衡 压 力P3。 有 ： 1111 11 ppGp ppp ppVV kokk 2222 22 ppGp ppp ppVV kokk 3333 33 ppGp ppp ppVV kokk 岩 心 室标 准 钢 块 ，体 积 已 知 。标 定 方 法a 岩 心 室标 准 钢 块 ，体 积 已 知 。b2341234 岩 心 室标 准 钢 块 ，体 积 已 知 。c21 4 2 0 2 1 -5 -1 9 1 9 由 以 上 方 程 组 ， 有 GPPPPPPPPPPPPVVV okokkkk 11331313 11 GPPPPPPPPPPPPVVV okokkkk 11221212 11 okok kk okok kk PPPPPPPPD PPPPC PPPPPPPPB pPpPA 1122 12 1133 13 11 11令 ： 2 0 2 1 -5 -1 9 2 0 BCAD VVCVVAG 1312 )( BCAD VVCVVAVk 1213 )( 12 VV 式 中 ： 为 第 一 次 取 出 的 第 一 号 钢 块 体 积 ； 13 VV 为 第 二 次 取 出 的 第 三 号 钢 块 体 积 。 2 0 2 1 -5 -1 9 2 1 (3)骨 架 体 积 的 确 定a未 知 室 不 装 岩 样 时 得 到 的 平 衡 压 力 为 P1， 未 知 空 间 体 积 ：b未 知 室 里 装 上 岩 样 时 得 到 平 衡 压 力 为 P2， 未 知 室 的 空 间体 积 : 1111 11 PPGP PPP PPVV kokk PPGPPPP PPVV kokk 2c 骨 架 体 积 :21 VVVG 2 0 2 1 -5 -1 9 2 2 3)孔 隙 体 积 的 测 定(1)氦 孔 隙 计 法 原 理 、 方 法 等 大 致 同 氦 气 法 测 量 骨 架 体 积 ， 不 同 的 是 使 用 哈斯 勒 夹 持 器 ， 而 不 是 岩 心 室 。 这 时 ， 气 体 会 进 入 孔 隙 ， 因 此 压 力 的 变 化 会 反 映 孔 隙 体 积 。岩 心 哈 斯 勒 (Hassler)夹持 器氦 孔 隙 计 测 量 孔 隙 体 积 的 示 意气 体 入 口 2 0 2 1 -5 -1 9 2 3 (2)液 体 饱 和 法原 理 ： 确 定 岩 样 饱 和 后 增 加 的 质 量 ， 由 密 度 定 义 计 算 孔 隙 体 积 。适 用 岩 样 ： 渗 透 性 好 (容 易 饱 和 )的 岩 样 。 若 含 粘 土 矿 物 ， 应 选用 煤 油 做 饱 和 流 体 。仪 器 设 备 ： 天 平 、 抽 真 空 加 压 饱 和 装 置 、 蒸 馏 水 等 溶 液 。方 法 ： a称 取 烘 干 样 质 量 m1； b抽 真 空 加 压 饱 和 岩 样 ， 称 取 质 量 m 2。计 算 公 式 ： fT mmV 12 f 为 饱 和 溶 液 密 度 ， g/l。式 中 ： 2 0 2 1 -5 -1 9 2 4 4)孔 隙 度 测 量 方 法 孔 隙 度 的 实 验 测 量 过 程 可 拆 解 为 测 量 岩 样 总 体 积 、 孔 隙体 积 、 骨 架 体 积 中 的 某 两 个 的 过 程 。 由 于 测 量 总 体 积 、 骨 架 体 积 、 孔 隙 体 积 的 方 式 多 样 ， 因此 确 定 岩 样 孔 隙 度 的 测 量 方 式 也 多 样 。 实 践 中 ， 可 根 据 实 验的 目 的 采 用 多 种 方 式 。 比 如 ： 若 岩 样 需 进 行 Archie参 数 的 测 量 ， 孔 隙 度 可 用 液体 饱 和 排 液 法 和 液 体 饱 和 法 测 量 孔 隙 度 ； 单 纯 测 量 孔 隙 度 的块 状 岩 样 ， 也 可 使 用 该 方 法 。 若 使 用 柱 塞 岩 样 ， ， 推 荐 使 用氦 气 法 分 别 测 量 骨 架 体 积 和 孔 隙 体 积 测 量 孔 隙 度 。 2 0 2 1 -5 -1 9 2 5 5)孔 隙 度 测 量 的 质 量 控 制(1)测 量 方 法 严 格 按 标 准 SY/T5336-1996标 准 执 行 ;(2)结 合 仪 器 按 操 作 规 范 执 行 ;(3)使 用 标 准 样 做 测 前 测 后 检 查 ,若 符 合 不 确 定 度 要 求 ,两 次 检 查间 测 量 结 果 可 靠 ;(4)无 标 准 样 时 ,可 通 过 重 复 测 量 检 查 ,要 求 : a抽 查 10%(明 )或 5%(暗 ),若 有 30%超 过 允 许 不 确 定 度 要 求 ， 找 出 原 因 后 重 测整 批 样 品 ； b同 一 块 样 品 重 测 ， 绝 对 不 确 定 度 不 超 过 1%(1pu)， 孔 隙 度 小 于 10%样 品 ，绝 对 不 确 定 度 不 超 过 0.5%(0.5pu)。 2 0 2 1 -5 -1 9 2 6 4.3储 层 绝 对 渗 透 率 的 基 本 概 念 及 测 量 原 理 储 层 的 渗 透 性 是 指 在 一 定 的 压 差 下 ， 岩 石 允 许 流 体 通 过其 连 通 孔 隙 的 性 质 。 换 言 之 ， 渗 透 性 是 指 岩 石 对 流 体 的 传 导性 能 。 严 格 地 讲 ， 自 然 界 的 一 切 岩 石 均 具 有 相 互 连 通 的 孔隙 ， 在 漫 长 的 地 质 年 代 里 ， 在 足 够 大 的 压 差 条 件 下 都 具 有 一定 的 渗 透 性 。 通 常 我 们 所 称 的 渗 透 性 岩 石 与 非 渗 透 性 岩 石 是相 对 的 。 渗 透 性 岩 石 是 指 在 地 层 压 力 条 件 下 ， 流 体 能 较 快 地通 过 其 连 通 孔 隙 的 岩 石 ， 如 砂 岩 、 砾 岩 、 裂 缝 灰 岩 、 白 云 岩等 等 。 如 果 流 体 通 过 的 速 度 很 慢 ， 通 过 的 数 量 有 限 ， 即 为 非渗 透 性 岩 石 ， 如 泥 页 岩 、 石 膏 、 岩 盐 、 致 密 灰 岩 等 等 。 储 集 层 的 渗 透 性 决 定 了 油 气 在 其 中 渗 滤 的 难 易 程 度 。 它是 评 价 储 层 产 能 的 主 要 参 数 之 一 。 岩 石 渗 透 性 的 好 坏 是 用 渗透 率 来 表 示 的 。 根 据 生 产 实 践 的 需 要 ， 人 们 提 出 了 绝 对 渗 透 率 、 有 效 渗 透 率 和 相 对 渗 透 率 (以 后 再 介 绍 )的 概 念 。 2 0 2 1 -5 -1 9 2 7 4.3.1由 Darcy公 式 推 导 的 绝 对 渗 透 率 当 岩 石 为 某 一 单 相 流 体 饱 和 时 ， 岩 石 与 流 体 之 间 不 发 生 任 何物 理 -化 学 反 应 (不 压 缩 )， 在 一 定 压 差 作 用 下 ， 流 体 呈 水 平 线 性稳 定 流 动 状 态 时 所 测 得 的 岩 石 对 流 体 的 渗 透 率 ， 称 为 该 岩 石 的绝 对 渗 透 率 。 据 达 西 公 式 ， 渗 透 率 可 写 为 ：式 中 : 为 渗 透 率 ， 达 西 ( )； 为 液 体 的 体 积 流 量 ， ； 为 岩 样 两 端 的 压 差 ， ； 为 液 体 的 粘 度 ， 厘 泊(0.001 )； 为 岩 样 的 横 截 面 积 ， ； 为 岩 样 的 长度 ， 。 从 理 论 上 讲 ， 岩 石 的 绝 对 渗 透 率 只 反 映 岩 石 本 身 的 特 性 ， 而与 测 定 所 用 流 体 性 质 及 测 定 条 件 无 关 。PA LQK K 2m Q scm /3P 510 Pa sPa A 2cm Lcm 2 0 2 1 -5 -1 9 2 8 名 称 K Q L A P量 纲 m2 cm3/s mPas cm cm2 105Pa常 用 量 纲 问 题注 意 ： 经 常 可 见 渗 透 率 的 不 同 表 达 方 式 ， 主 要 表 现 在 常 系 数 上 ， 应 注 意两 个 问 题 ： 压 力 ， 用 MPa还 是 bar； 渗 透 率 ， 用 达 西 还 是 毫 达 西 。 通 常 ， 考 虑 到 实 验 条 件 的 方 便 (不 污 损 岩 样 )， 常 用 气体 作 为 渗 透 率 测 量 的 介 质 。 与 液 体 渗 透 率 相 对 ， 使 用 气 体测 量 的 渗 透 率 常 被 称 为 气 体 渗 透 率 。 2 0 2 1 -5 -1 9 2 9 若 流 体 为 气 体 时 ， 由 于 气 体 在 压 差 作 用 下 流 动 的 过 程 中 ， 体积 会 发 生 膨 胀 ， 流 量 在 流 动 的 各 截 面 上 是 变 化 的 ， 公 式 可 写为 ：式 中 ， 为 气 体 在 平 均 压 力 下 的 流 量 , 为 气 体 的 粘 度 . 为 进 口 端 的 绝 对 压 力 , 为 出 口 端 的 绝 对 压 力 。PA LQK gg Q g )(21 21 PPP P 1P2P PQPQPQPQ 002211 .21 002 PP QPQ 根 据 气 体 等 温 状 态 下 的 气 体 状 态 方 程 ， 对 于 出 口 端 压 力 和 流 量 有 ：0Q0P 为 大 气 压 力 ； 为 大 气 压 力 下 的 气 体 流 量 。 4.3.2气 体 渗 透 率 2 0 2 1 -5 -1 9 3 0 假 设 出 口 端 是 开 放 的 ， 即 为 大 气 压 力 ， 有 ：02 PP )(2)( )2( 2221 0021 21 00 PPA LQPPPA PP QPLPA LQK Lggg )(2)( )2( 2021 0001 01 00 PPA LQPPPA PP QPLPA LQK Lggg 有 2 0 2 1 -5 -1 9 3 1 气 体 渗 透 率 的 特 点 实 验 研 究 发 现 ： 1)同 一 岩 样 ， 气 体 渗 透 率 和 液 体 渗透 率 二 者 不 同 ， 气 体 渗 透 率 值 大 于 液 体渗 透 率 值 ， 特 别 在 低 速 渗 流 (等 同 于 低 压差 )时 二 者 的 差 别 越 明 显 ； 2)气 体 渗 透 率 自 身 也 不 是 恒 定 不 变的 ： 同 一 岩 样 ， 同 一 种 气 体 ， 在 不 同 的平 均 压 力 下 ， 所 测 得 的 绝 对 渗 透 率 是 不同 的 。 低 平 均 压 力 下 测 得 的 渗 透 率 较高 ， 高 平 均 压 力 下 测 得 的 渗 透 率 较 低 ；同 一 岩 样 在 相 同 的 平 均 压 力 下 ， 用 不 同气 体 (空 气 、 氦 气 )测 得 的 绝 对 渗 透 率 也 是不 同 的 。 通 常 密 度 大 的 气 体 测 得 的 渗 透 率 值 偏 低 ； 不 同 等 级 (低 、 中 、 高 )渗 透 率岩 样 ， 平 均 压 力 和 气 体 渗 透 率 的 关 系 曲线 的 斜 率 不 同 ， 一 般 中 渗 透 岩 样 的 曲 线斜 率 比 低 和 高 渗 透 率 岩 样 的 斜 率 要 大 。 1,/1 MPaPKg,m2 1,/1 MPaPKg,m2 H2 空 气CO2高 渗 岩 样中 渗 岩 样低 渗 岩 样不 同 气 体 条 件 下 的 气 体 渗 透 率不 同 渗 透 性 岩 样 的 气 体 渗 透 率 2 0 2 1 -5 -1 9 3 2 4.3.3气 体 “ 滑 脱 ” 效 应 和 克 氏 渗 透 率 1) 气 体 “ 滑 脱 ” 效 应 “ 滑 脱 ” 效 应 是 指 气 体 在 岩 石 孔 隙 中 的 一 种 不同 于 液 体 渗 流 的 特 征 。 气 体 在 细 小 孔 道 中 流 动 时 ， 靠近 管 壁 的 气 体 分 子 的 运 动 速 度 与 管 子 中 心 部 位 气 体 分子 的 运 动 速 度 一 致 。 而 液 体 在 细 小 孔 道 中 流 动 时 ， 在孔 壁 存 在 一 层 不 流 动 的 分 子 薄 膜 ， 沿 孔 壁 的 流 动 速 度低 于 孔 中 心 流 动 速 度 ， 即 孔 中 心 部 位 流 速 最 大 ， 越 靠近 孔 壁 流 速 越 小 直 到 接 近 于 零 。 这 一 效 应 是 造 成 气 体渗 透 率 大 于 液 体 渗 透 率 现 象 的 直 接 原 因 。 同 时 ， 由 于 滑 脱 效 应 与 分 子 自 由 程 有 关 ， 所 以 与气 体 的 性 质 和 稀 薄 程 度 (宏 观 上 对 应 绝 对 压 力 )有 关 。气 体 分 子 量 越 小 ， 平 均 压 力 越 小 ， 滑 脱 现 象 越 明 显 ， 所 测 得 渗 透 率 越 偏 大 。 这 是 造 成 不 同 性 质 气 体 、 不 同压 力 条 件 下 测 量 气 体 渗 透 率 变 化 规 律 的 主 要 原 因 。 当压 力 趋 向 于 无 穷 大 时 ， 气 体 性 质 越 来 越 接 近 液 体 ， 其流 动 状 况 与 液 体 的 情 况 接 近 ， 则 不 再 出 现 滑 脱 现 象 ，渗 透 率 趋 近 于 一 个 常 数 。 vv小 孔 道 中 的 气 体 匀 速 流 动 小 孔 道 中 的 液 体 流 动 2 0 2 1 -5 -1 9 3 3 2)克 氏 渗 透 率 为 了 消 除 气 体 “ 滑 脱 ” 效 应 对 气 体 渗 透 率 测 量 的 影 响 ，Klinkenberg提 出 了 克 氏 渗 透 率 的 概 念 ， 即 平 均 压 力 为 无 穷 大时 的 气 体 渗 透 率 。 可 见 ， 克 氏 渗 透 率 表 征 了 气 体 性 质 接 近 液体 性 质 时 的 渗 透 率 ， 与 液 体 渗 透 率 大 致 相 等 。 由 定 义 ， 可 知克 氏 渗 透 率 与 气 体 渗 透 率 的 关 系 为 ：PbKKPbKK g )1( K式 中 ， b 为 表 征 气 体 性 质 和 岩 石 孔 隙 结 构 的 常 数 。 2 0 2 1 -5 -1 9 3 4 可 见 ： 气 体 渗 透 率 大 于等 于 克 氏 渗 透 率 ； 气 体 渗 透率 与 呈 正 线 性 关 系 。在 直 角 坐 标 系 中 ， 若 纵 轴 为气 体 渗 透 率 ， 横 轴 为 平 均压 力 的 倒 数 ， 截 距 为 克 氏渗 透 率 ， 斜 率 为 。当 为 无 穷 大 时 ， =0，气 体 渗 透 率 与 克 氏 渗 透 率 相等 。 P1 gKP K bKP Pb 不 同 气 体 条 件 下 的 气 体 渗 透 率1,/1 MPaPKg,m2 2 0 2 1 -5 -1 9 3 5 3)克 氏 渗 透 率 实 验 确 定 方 法 和 应 用 意 义 在 实 际 测 量 过 程 中 ， 可 以 通 过 改 变 平 均 压 力 ， 测 量 对应 的 气 体 渗 透 率 ， 绘 制 与 的 关 系 曲 线 ， 用 线 性 拟合 ， 取 时 的 (即 曲 线 在 轴 上 的 截 距 )作 为 克 氏 渗 透率 ， 斜 率 。 克 氏 渗 透 率 较 好 地 克 服 了 气 体 “ 滑 脱 ” 效 应 对 气 体 渗 透率测 量 的 影 响 ， 为 比 较 和 综 合 不 同 性 质 气 体 、 不 同 压 力 条 件 下气 体 渗 透 率 测 量 结 果 建 立 了 统 一 的 标 准 。 并 且 ， 由 于 与 液 体渗 透 率 的 数 值 比 较 接 近 ， 也 有 利 于 对 那 些 分 别 使 用 气 体 和 液体 测 试 的 渗 透 率 数 据 进 行 比 较 和 综 合 研 究 。 因 此 ， 克 氏 渗 透率 是 气 体 渗 透 率 的 最 佳 表 征 参 数 ， 应 是 使 用 气 体 介 质 进 行 渗透 率 测 量 的 最 终 结 果 。 PgK gK P101 P gKgK bK 2 0 2 1 -5 -1 9 3 6 4.3.4渗 透 率 测 量 原 理原 理 ： 对 于 液 体 ， 可 使 用 ：PA LQK 对 于 气 体 ， 可 使 用 ： 2021 002 PPA LQPKg 测 量 时 转 换 为 克 氏 渗 透 率 。 说 明 ： 测 前 应 注 意 柱 塞 岩 样 的 制 备 质 量 。使 用 游 标 卡 尺 测 量 直 径 和 长 度 时 要 检 查 岩样 。 若 不 合 格 ， 需 重 新 切 、 磨 、 抛 岩 样 (参 见第 二 章 )。 如 有 人 为 产 生 裂 缝 ， 测 量 没 有 意 义 。气 体 渗 透 率 测 量 装 置 1气 瓶 ； 2减 压 阀 ； 3干 燥 过 滤 器 ； 4温 度 计 ； 5微 调 压 稳 压 阀 ； 6进 口 标 准 压 力 表 ； 7岩 样 ； 8岩 心 夹 持 器 ； 9出 口 标 准 压 力 表 ； 10出 口 控 制阀 ； 11气 体 流 量 计 。 2 0 2 1 -5 -1 9 3 7 4.3.5渗 透 率 测 量 的 质 量 控 制1)测 量 方 法 严 格 按 标 准 SY/T5336-1996标 准 执 行 ;2)结 合 仪 器 按 操 作 规 范 执 行 ;3)使 用 标 准 样 做 测 前 测 后 检 查 ,若 符 合 不 确 定 度 要 求 ,两 次 检 查间 测 量 结 果 可 靠 ;4)无 标 准 样 时 ,可 通 过 重 复 测 量 检 查 ,要 求 : (1)抽 查 10%(明 )或 5%(暗 )， 若 在 相 同 压 差 、 气 体 流 动 方 向 下 有 30%超 过 允 许不 确 定 度 要 求 ， 找 出 原 因 后 重 测 整 批 样 品 ； (2)同 一 块 样 品 重 测 ， 绝 对 不 确 定 度 不 超 过 5%(K0.01m 2)或 15% (K0.01m2)。 2 0 2 1 -5 -1 9 3 8 4 .4 按 孔 隙 度 、 渗 透 率 划 分 的 储 层 级 别储 层 按 孔 隙 度 分 级 (行 业 标 准 )分 类 碎 屑 岩孔 隙 度 (%) 非 碎 屑 岩 基 质 孔隙 度 (%)特 高 30高 25 30 10中 15 25 5 10低 10 15 2 5特 低 10 2 2 0 2 1 -5 -1 9 3 9 分 类 油 藏 空 气 渗 透 率 (mD) 气 藏 空 气 渗 透 率 (mD)特 高 1000 500高 500 1000 100 500中 50 500 10 100低 5 50 1.0 10特 低 5 1.0储 层 渗 透 率 分 类 (行 业 标 准 ) 2 0 2 1 -5 -1 9 4 0 4.5孔 隙 度 与 渗 透 率 的 关 系 储 集 层 的 孔 隙 度 与 渗 透 率 之 间 通 常 没 有 严 格 的 函 数 关系 ， 因 为 影 响 它 们 的 因 素 很 多 。 岩 石 的 渗 透 率 除 受 孔 隙 度的 影 响 外 ， 还 受 孔 道 截 面 大 小 、 形 状 、 连 通 性 以 及 流 体 性能 的 影 响 。 例 如 ， 粘 土 岩 的 绝 对 孔 隙 度 可 以 很 大 (30-40%)， 但 其 渗 透 率 却 可 以 很 低 ； 裂 缝 发 育 的 致 密 灰 岩 虽 然 其 绝对 孔 隙 度 较 低 ， 但 它 却 可 以 有 很 高 的 渗 透 率 ， 以 致 常 成 为高 产 油 气 层 。 尽 管 岩 石 的 孔 隙 度 和 渗 透 率 之 间 没 有 严 格 的 函 数 关 系 ，但 它 们 之 间 还 是 有 一 定 的 内 在 联 系 ， 因 为 岩 石 的 孔 隙 度 和渗 透 率 一 般 皆 取 决 于 岩 石 本 身 的 结 构 与 组 成 。 凡 具 有 渗 透性 的 岩 石 均 具 有 一 定 的 孔 隙 度 。 大 量 实 际 资 料 也 表 明 ： 岩石 的 孔 隙 度 与 渗 透 率 之 间 有 一 定 的 相 关 关 系 ， 特 别 是 有 效孔 隙 度 与 渗 透 率 的 关 系 更 为 密 切 。 2 0 2 1 -5 -1 9 4 10.10.51 10.50.10.010.0510100100055 50500K 10-3 m2 孔 隙 度 与 渗 透 率 关 系 曲 线(据 Fijchtbauer， 1967， 转 引 自 潘 钟 祥 ， 1986)(%) 5050005001001000100000 5 10 15 20 25 30 0 5 15 2510 20 30上 石 炭 统 砂 岩道 格 统砂 岩10 10100100010.010.10.0550.50.550.11 2 0 2 1 -5 -1 9 4 2 对 于 碎 屑 岩 储 层 ， 一 般 是 有 效 孔 隙 度 越 大 ， 其 渗 透率 越 高 ， 渗 透 率 随 有 效 孔 隙 度 的 增 加 而 有 规 律 地 增 加 ，大 多 可 以 用 指 数 形 式 表 示 。 对 于 碳 酸 盐 岩 来 说 ， 特 别 是裂 缝 性 灰 岩 其 孔 隙 度 与 渗 透 率 之 间 的 关 系 很 不 明 显 ， 在使 用 碳 酸 盐 岩 的 孔 -渗 关 系 时 ， 必 须 十 分 慎 重 。 总 之 ， 孔 隙 性 和 渗 透 性 是 储 集 层 的 两 大 基 本 特 性 。也 是 决 定 储 集 层 储 集 性 能 好 坏 的 两 个 基 本 因 素 ， 它 们 都与 岩 石 的 孔 隙 结 构 有 关 。 2 0 2 1 -5 -1 9 4 3 4.6实 验 测 量 孔 隙 度 、 渗 透 率 的 工 程 应 用4.6.1实 验 测 量 孔 隙 度 的 工 程 应 用 ：1)划 分 储 层 级 别 ；2)刻 度 测 井 后 ， 可 由 声 波 、 中 子 、 密 度 测 井 估 算 储 层 孔 隙 度 ；*建 立 模 型 时 ， 应 写 成 F(log)=f()的 形 式 。3)估 算 岩 样 和 储 层 含 水 饱 和 度 的 基 本 参 数 ；4)是 划 分 产 层 和 干 层 ， 确 定 储 层 有 效 厚 度 ， 估 算 储 量 的 重 要 参 数 之一 ；5)在 注 水 开 发 油 气 田 过 程 中 ， 是 确 定 和 计 算 注 水 量 以 及 研 究 评价 水 驱 油 效 果 的 重 要 资 料 。 如 常 用 注 入 水 占 孔 隙 体 积 倍 数 表 示注 水 量 多 少 ， 用 注 入 水 占 孔 隙 体 积 倍 数 与 石 油 采 出 程 度 做 比 较分 析 ， 研 究 注 入 水 的 驱 油 效 率 ， 开 展 提 高 采 收 率 研 究 。 2 0 2 1 -5 -1 9 4 4 4.6.2实 验 测 量 渗 透 率 的 工 程 应 用1)直 接 划 分 储 层 级 别 ；2)建 立 与 孔 隙 度 、 泥 质 含 量 等 参 数 关 系 后 ， 可 用 于 估 算 储 层渗 透 率 ；3)划 分 产 层 和 干 层 ， 确 定 油 层 有 效 厚 度 ， 估 算 储 量 的 重 要 参数 之 一 ；4)是 确 定 合 理 开 发 层 系 的 依 据 ； 可 以 在 多 油 层 注 水 开 发 时 ，可 分 层 注 水 。 避 免 造 成 高 渗 透 率 层 过 早 水 淹 而 影 响 低 渗 透 层的 开 发 ；5)作 为 基 础 参 数 ， 分 析 研 究 油 田 开 发 动 态 参 数 变 化 规 律 ， 如油 层 吸 水 能 量 、 出 油 能 力 、 见 水 时 间 早 晚 等 。 2 0 2 1 -5 -1 9 4 5 复 习 题 ： 1孔 隙 度 测 量 方 法 ， 掌 握 各 部 分 体 积 测 量 的 条 件 和 原 理 ； 2液 体 渗 透 率 、 气 体 渗 透 率 和 克 氏 渗 透 率 的 定 义 。