第五节 储层岩石的渗透性v储层岩石的渗透性是油气流体得以开采的基础和关键。v用孔隙度可评价储层的储集性，v饱和度可评价储层中的含油气性，v而渗透率则可评价油层中油气开采的难易程度及开采效果。v渗透率(permeability)(permeability)可可表征岩石让流体通过的能表征岩石让流体通过的能力。力。是油气田开发、油藏工程动态分析的关键储层物性参数。L LP P1 1P P2 2 Q Q1 1Q Q2 2A AA A1DarcyDarcy定律描述流体在定律描述流体在多孔介质多孔介质中的宏中的宏观流动规律，是油气藏工程计算的核观流动规律，是油气藏工程计算的核心定律。岩石的绝对渗透率心定律。岩石的绝对渗透率是指岩石是指岩石让流体通过的能力。让流体通过的能力。一、达西定律及岩石绝对渗透率一、达西定律及岩石绝对渗透率1 1、DarcyDarcy实验及实验及DarcyDarcy定律定律18561856年法国人年法国人亨利亨利- -菲利贝尔菲利贝尔- -加斯帕德加斯帕德 达西达西 装置：装置：如图如图 条件：条件：单相流单相流 目的：目的：考察影响流量的因素考察影响流量的因素2Darcy实验达西通过实验发现：改变填砂柱的粒径，则流体流量不同，在上式中引入比例系数K，建立了达西定律水通过等粒径填砂柱时，水流量与：砂柱截面积（A）成正比砂柱两端进出口压差（p）成正比；砂柱长度（L）成反比；流体粘度（m）成反比（流体不同时）。即：3 比例系数，达西比例系数，达西比例系数，达西比例系数，达西(D)(D)。只与多孔介质结构有。只与多孔介质结构有。只与多孔介质结构有。只与多孔介质结构有关，而与流体性质无关，称其为多孔介质的渗透关，而与流体性质无关，称其为多孔介质的渗透关，而与流体性质无关，称其为多孔介质的渗透关，而与流体性质无关，称其为多孔介质的渗透率，率，率，率， K K 大大大大Q Q 大，岩石允许流体通过的能力大。大，岩石允许流体通过的能力大。大，岩石允许流体通过的能力大。大，岩石允许流体通过的能力大。即：即：即：即： K K 可定量评价岩石渗透性的大小。可定量评价岩石渗透性的大小。可定量评价岩石渗透性的大小。可定量评价岩石渗透性的大小。单位时间内流体通过多孔介质的单位时间内流体通过多孔介质的流量流量QQ与加在多孔介质两端的与加在多孔介质两端的压力差压力差 p p和介质的和介质的截面积截面积A A成正比，与多孔介质成正比，与多孔介质长度长度L L和液体和液体粘粘度度 成反比。成反比。当其他条件相同时，粒径不同其流量也不同。当其他条件相同时，粒径不同其流量也不同。Darcy定律4Darcy定律注意：矿场常用混合单位制，即：P用at，不用MPa。（1at0.0981Mpa，1at0.1MPa）混合制：SI制：达西定律是流体渗流的基本定律,对单相和多相渗流都适用；达西定律适用于各种多孔介质中的流体渗流，如松散砂柱，胶结砂岩及其它多孔介质。5二、岩石绝对渗透率K(permeability)v不与岩石发生任何物理化学反应的不可压缩流体，100%饱和岩心后，在线性渗流条件下测得的岩石渗透率为岩石的绝对渗透率。K与Q成线性：K大Q大，岩石允许流体通过的能力大;K可定量评价岩石渗透性的大小一定压差下，一定压差下，一定压差下，一定压差下，岩石岩石岩石岩石允许流体通过的允许流体通过的允许流体通过的允许流体通过的性质性质性质性质6二、岩石绝对渗透率K(permeability)v注意：满足达西定律的应用条件时，对同一岩心，K的大小是与液体性质无关的常数。对不同孔隙结构的岩心，K值不同。因此，K仅仅是取决于岩石孔隙结构的参数，而与所通过流体的性质无关，故把这一系数称为岩石的绝对渗透率。渗透率的大小主要取决于岩石孔喉的大小、形状及连通情况，亦即与孔隙结构有密切关系。在对一个区域或一个油层来评价渗透率时，还要考虑岩石具有各向异性，即渗透率具有方向性。7渗透率的单位v岩石绝对渗透率K的单位岩石K法定计量单位：D（达西）矿场常用mD（毫达西），1D1000mD储层岩石的渗透率一般为51000mDv1达西单位的定义：孔隙介质允许粘度为1cp的流体，在压力梯度为1atm/cm的作用下，通过横截面积为1cm2的流量为1cm3/s，此时，孔隙介质的渗透率称为1D达西。1D1m2，岩石岩石K 具具“面积面积”因次。因次。8渗透率的单位实用单位实用单位CGSPERMSILcmcmftcmAcm2cm2ft2cm2Patmdyn/cm2psiaMPacppcpmpa.sQcm3/scm3/sbbl/daycm3/sKdarcycm2permm29v储层岩石的渗透率一般为51000mD10三、达西定律的适用条件 v 达西定律有一定的适用条件，当渗流速度增大到一定值之后，除产生粘滞阻力外，还会产生惯性阻力，此时流量与压差不再是线性关系，这个渗流速度值就是达西定律的临界渗流速度（图曲线1）。若超过此临界渗流速度，流动由线性渗流转变为非线性渗流，达西定律也不再适用。图中压力梯度超过b，则为非达西流。11三、达西定律的适用条件v线性渗流的流速限制流体的渗流速度临界流速v线性渗流的判断作图法：Q P为过原点直线，则为线性流； 雷诺数Re法据卡佳霍夫公式可算出Re ： 一般砂岩储层的临界Rec为0.20.3若实际ReRec，则为线性流动（层流）12三、达西定律的适用条件v对于低渗致密岩石，在低速渗流时，由于流体与岩石之间存在吸附作用，或在粘土矿物表面形成水化膜，当压力梯度很低时，流体不流动，因而存在一个启动压力梯度（图中a点）。a13四、气测渗透率v岩石渗透率的测定条件据达西定律，测定K必须满足三个条件： 流体不可压缩，单相、稳定流：在岩心各断面处有稳定的体积流量 流体性质稳定：不与岩石表面发生物理、物理化学反应 流体为线性流动： QP呈线性关系v只有严格满足上述三个条件测得的渗透率才为岩石的绝对渗透率。14四、气测渗透率v理论上：油、气、水都可作K的测定流体。v实际上：除线性流动外，条件在实验室条件下难以严格满足。例：油测时：物理吸附孔隙表面形成油膜孔隙空间岩石K；水测时：水敏性矿物膨胀岩石K气测时：气体膨胀、流量变化达西公式不能用 气体在低压下分子扩散岩石K依据达西公式，用任何流体测定岩石依据达西公式，用任何流体测定岩石依据达西公式，用任何流体测定岩石依据达西公式，用任何流体测定岩石K K K K 都存在误差。都存在误差。都存在误差。都存在误差。15四、气测渗透率v方法：行业标准规定使用气体测量岩石K，即：在低压下，用干燥空气或氮气气体等温通过岩心，测定岩石绝对渗透率K。气体性质较稳定，不易变化；不与岩石表面作用而改变孔隙大小；气体测岩石K的误差容易校正：气体膨胀流量不稳定校正； 气体分子扩散气体滑脱效应校正。16四、气测渗透率17 设在微单元dL上，气体具稳定的体积流量 在dL上用达西公式的微分式： （混合单位制） 气测K公式推导18 沿岩心长度方向，气体发成恒质量等温膨胀， 据波-马定律（PV常数）： Q pQ0 p0常数 则： QQ0 p0p 式中：式中：Q 岩心某断面处的气体体积流量；岩心某断面处的气体体积流量； Q0出口端压力出口端压力p0下的体积流量。下的体积流量。 将式带入微分达西公式：气测K公式推导19分离变量、积分:积分得气测岩石K公式： （混合单位制）式中：Ka气测岩石绝对渗透率， m2； p1、p1岩心进、出口端压力，at p0岩心出口端压力，at； Q0出口p0下的体积流量，cm3/s。气测K公式推导20v气测岩石Ka 与液测KL 公式比较：2122气体渗透率随平均压力和气体类型的变化v理论上，岩石的渗透率与流过岩石的流体介质无关。v实际情况下，气体和液体所测的同一块岩石样品可以得到不同的渗透率；相同条件下，不同气体所测得的渗透率也不同。23液液体体在孔道中心的液体分子比靠近孔道在孔道中心的液体分子比靠近孔道壁表面的分子流速要高；而且壁表面的分子流速要高；而且, ,越越靠近孔道壁表面靠近孔道壁表面, ,分子流速越低；分子流速越低；靠近孔壁表面的气体分子与孔道中靠近孔壁表面的气体分子与孔道中心的分子流速几乎没有什么差别。心的分子流速几乎没有什么差别。气气体体气体渗透率大于液体渗透率的根本原因气体渗透率大于液体渗透率的根本原因滑动效应滑动效应气体滑动效应示意图气体滑动效应示意图a-孔道中的液体流动；孔道中的液体流动；b-同一孔道中气体流动同一孔道中气体流动24v气测渗透率时，由于气-固间的分子作用力远比液固间的分子作用力小，在管壁处的气体分子仍有部分处于运动状态；另一方面，相邻层的气体分子由于动量交换，可连同管壁处的气体分子一起沿管壁方向作定向流动，管壁处流速不为零，形成了所谓的“气体滑动效应”。v克林肯贝格(Klinkenberg)发现了气体在微细毛管孔道中流动时的滑动效应，故称“克氏效应”。 25滑动现象对气测Ka偏离岩石K的影响v滑动现象管壁处气体分子参与流动相当于增大了孔道流动空间气测Ka岩石K；v吸附作用管壁处液体分子形成液膜不流动减小了孔道流动空间液测KL岩石K；v对同一岩石有：对同一岩石有：气测岩石气测岩石KaKa岩石绝对岩石绝对K K液测岩石液测岩石KLKL26五、渗透率的影响因素v1、储层岩石骨架构成及构造力的影响v(1)岩石骨架构成（微观因素）颗粒：组成和结构（大小、分选、排列等）胶结物：含量、胶结类型等 骨架结构决定岩石、S 大小影响岩石Kv颗粒越粗，分选越好，胶结物含量越少，渗透率越高。271. 储层岩石结构的影响v（2）沉积构造（宏观因素）层理类型：类型不同形态不同；水平层理、波状层理交错层理：板状、楔状、槽状透镜状层理递变层理、韵律层理等层理规模：类型不同规模不同；可小至厘米，可大到十几米级别不同层理的纹层厚度、展布方向不同281. 储层岩石结构的影响291. 储层岩石结构的影响301. 储层岩石结构的影响结论：不同层理，渗透性不同；同一层理，不同方向渗透性不同。 （顺水流、垂直水流）认识：骨架结构在微观上决定了储层渗透率的大小。沉积构造从宏观上决定了储层渗透率的方向性。312. 储层孔隙结构的影响 据高采尼卡尔曼方程： ，Kf（f f） f fKKf（r 2） 孔隙越大，K越大Kf（1/t t2） 孔道越弯曲，K越小孔隙连通度越低 K越小孔喉比越大 K越小vv孔隙结构从微观上决定了岩石渗透率大小，孔隙度从宏观孔隙结构从微观上决定了岩石渗透率大小，孔隙度从宏观上反映了岩石渗透性的好坏，是微观在宏观的表现。上反映了岩石渗透性的好坏，是微观在宏观的表现。v意义：孔喉的大小和孔隙结构的复杂程度对渗透率的影响远远大于孔隙度的影响。323. 地静压力和地层温度v地静p和地温对岩石K的影响具有互补关系：地静压力岩石K地温减小地静压力降低K的作用（T流体膨胀）33