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储层岩石连续性特征尺度研究-李传亮

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岩石 连续性 特征 特点 尺度 研究 钻研 李传亮
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第一作者简介 : 李传亮 ,男 ,博士 ,教授 ,现主要从事油藏工程研究工作。地址 :成都市西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室 (邮编 :610500) 。电话 :028 - 83033291。储层岩石连续性特征尺度研究李传亮(西南石油学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室 )摘  要   根据物体的连续介质理论 ,对储层岩石的连续性特征尺度进行了研究。岩石是由分离状态的固体骨架颗粒和粒间孔隙构成的 ,并非严格意义上的连续体。用岩心进行储层物性参数分析时 ,物性参数分析值受岩心尺度大小的影响很大。岩心尺度较小时 ,物性参数分析值剧烈变化 ;岩心尺度较大时 ,物性参数分析值趋于稳定。物性参数分析值不发生剧烈变化的最小岩心尺度 ,称作岩石的连续性特征尺度。所选用岩样的实际尺寸大于连续性特征尺度时 ,岩石可视作连续性物体 ,可以测量到代表储层性质的物性参数。选用实际尺寸小于连续性特征尺度的岩心进行分析没有任何意义。不同地层的连续性特征尺度是不一样的。一般砂岩的连续性特征尺度在厘米量级 ,而溶洞型碳酸盐岩的连续性特征尺度在米量级。文中提出的连续性特征尺度的定量计算方法 ,使连续性问题从定性分析阶段上升到定量研究的水平。关键词  岩石  连续性  特征尺度  物性参数  孔隙  骨架颗粒0  引言物体的连续性是一个相对的概念 ,宏观上的连续体在微观上可能是非连续体 ;而微观上的连续体 ,在宏观上也可能是非连续体。物体在什么尺度上可以视作连续性物体 ,是由物体本身的性质所决定的。有些物体在米级尺度上为连续体 ,而有些物体则只在微米级尺度上为连续体。储层岩石的性质千变万化 ,有些岩石粒粗孔大较疏松 ,而有些岩石则粒细孔小较为致密。岩石的孔隙度与连续性是怎么定义的 ? 研究岩石的连续性对油藏工程研究有何指导意义 ? 不同性质的岩石 ,它们的连续性特征尺度到底有多大 ? 本文仅就这些问题进行深入研究。1   岩石孔隙度及连续性特征尺度的定义任何物体都不是绝对意义上的连续体 ,而是由处于分离状态的粒子所构成。粒子所占据的区域物质密度相对较高 ,粒子之间的区域物质密度相对较低 \[1 \]。岩石也不是连续性物体 ,而是由固体骨架颗粒和颗粒之间的孔隙所构成。岩石中任意一点 < = Δ V b(1)式中 :Δ V b 为包含 P 点的岩石单元体 (岩心 ) 的外观体积 ,Δ V p 为岩心的孔隙体积 ,两者单位均为 <为岩心的孔隙度 (小数 ) 。从 (1) 式可知 ,孔隙度随着岩心外观体积的变化而变化。从图 1 中可以看出 ,当岩心体积较小时 ,孔图 1  岩石孔隙度随岩心体积变化曲线图隙度在 0~ 1 之间发生剧烈变化 , 这是因为岩心体积太小 , 其中可能只包含了少数几个固体骨架颗粒第 16 卷  第 1 期2004 年 2 月             中国海上油气           16   12004  图 2  岩石内部结构示意图和粒间孔隙 (图 2) 。当岩心只包含一个骨架颗粒时 ,岩心的孔隙度为0 ; 当岩心只包含一个粒间孔隙时 , 岩心的孔隙度为 1。显然 , 用特别小 的岩心 体积无法定义P 点的孔隙度 , 而且这样的孔隙度测量结果对油藏工程研究也没有实际意义。从图 1 中还可以看出 ,当岩心体积较大时 ,岩石的孔隙度趋于稳定 ,而不再发生剧烈变化。笔者在文献 [2 ]中把孔隙度不发生剧烈变化的最小岩心体积 ,称作岩石的“连续性特征体积” ,并用符号 Δ V 图 1) ,也有些文献将其称之为“表征性单元体积” \[3~ 5 \]。显然 ,当岩心体积大于 Δ V c 时 ,测得的孔隙度为一个特定的数值 ,该数值基本上代表了储层岩石的孔隙发育程度。因此 ,只有岩心体积在等于或大于 Δ V c 的尺度上测得的 P 点孔隙度才有定义 ,这样的孔隙度测量结果对油藏工程研究也才有意义。按照同样的方法 ,也可以定义 P 点的邻点 P′ 点的孔隙度 (图 2) 。当 P′ 点趋近于 P 点时 , P′ 点的孔隙度值趋近于 P 点的孔隙度值 ,即 → P<( P′ ) = <( P) 。因此 , 在等于或大于 Δ V c 的尺度上 , 岩石就可以视作连续性物体 , 岩石的物性参数就可以用连续统计数学进行描述 ; 而在小于 Δ V c 的尺度上 , 岩石为非连续体 , 岩石的物性参数无法用连续函数进行描述。岩石的渗透率、密度等其它物性参数也与孔隙度参数的研究方法完全一样。类似地 ,还可以定义岩石的连续性特征面积 (Δ A c) 和连续性特征长度(Δ L c) ,它们和连续性特征体积统称为岩石的连续性特征尺度。2   岩石连续性特征尺度的确定与岩心物性分析物体的连续性特征尺度与物体的性质密切相关 ,它可以很大 ,也可以很小。当连续性特征尺度为“米”的量级时 ,物体就是米级尺度连续体 ;当连续性特征尺度为“微米”的量级时 ,物体就是微米级尺度连续体。宇宙的连续性特征尺度用“光年”来定义都显得太小 ,而普通晶体材料的连续性特征尺度用“厘米”来定义则显得太大。显然 ,不同性质的物体 ,其连续性特征尺度的大小是完全不同的。那么 ,如何定义某种物体的连续性特征尺度呢 ? 根据笔者的研究 ,含有 100 个粒子或孔隙的体积 (面积或长度 ) 就可以定义物体的连续性特征尺度。如果物体粒子或孔隙的线密度为 n (个 / m) ,则物体的连续性特征长度 (Δ L c)可以用下式计算 :Δ L c = 100n (2)用 (2)式的计算结果绘成图 3 ,即为物体连续性特征长度曲线图。图 3  物体连续性特征长度曲线细砂岩的骨架颗粒和孔隙直径都在 50μ m 左右 ,孔隙的线密度则为 10 000 个 / m ,由 (2)式可以确定出细砂岩的连续性特征尺度 (长度 )在 1 右。粗砂岩的骨架颗粒和孔隙直径都在 100μ m 左右 ,孔隙的线密度则为 5 000 个 / m ,由 (2)式可以确定出粗砂岩的连续性特征尺度 (长度 ) 在 2 右。因此 ,对于砂岩来说 ,只要岩心的长度达到几个厘米的大小 ,岩心分析的物性参数就可以代表储层岩石的性质 ,而且目前的实验分析也都是这么操作的。如果用 1 度的岩心进行分析 ,分析的结果则不能反映储层岩石的性质。当然 ,用更大尺度的岩心进行实验分析也没有必要 ,因为这样做不仅无助于获得更具代表性的岩石物性参数 ,而且还会增加操作费用。然而 , 对于溶蚀孔洞型碳酸盐岩储层则完全不同。对于该类储层 , 溶洞是其主要的储集空间 , 研究基质孔隙的连续性质没有任何意义。对于溶洞较为发育的储层 , 溶洞线密度可以达到 100 个 / m 左右 , 此类储层的连续性特征尺度 (长度 ) 在 1 m 左46 中 国 海 上 油 气                     2004 年右 ; 而有些储层的溶洞不太发育 , 溶洞的线密度大约只有 10 个 / m 左右 , 此类储层的连续性特征尺度(长度 ) 可以达到 10 m 左右。根据连续性特征尺度的概念 , 这两类储层只有取到 1~ 10 m 长的岩心进行实验 , 才能测到储层有代表性的物性参数。可是 , 由于碳酸盐岩储层容易破碎 , 取这么长的岩心并进行实验分析 , 在大多数情况下很难实现。塔里木盆地奥陶系就是这类储层 , 某油井用厘米尺度的小岩心实测的平均渗透率在 011 × 10 - 3μ 右 ,而试井解释的地层渗透率在 100 × 10 - 3μ 右 ,岩心分析与矿场测试的结果差别很大。但从该油井产能来看 , 平均单位厚度采油指数大于 115 t/(d· m) ,属于特高产能的范畴 , 显然 , 小岩心实测的渗透率数据并没有真正反映储层岩石的普遍性质。之所以出现这种情况 , 是因为岩心太小 , 没有包含足够多的溶洞孔隙 , 它只能反映该储层的局部特征。因此 , 对于这类储层 , 物性参数应以矿场测试资料为主 , 实验室岩心分析资料只能作为参考 , 不能作为油藏工程设计的依据 ; 而且用小尺度岩心进行大量的岩石物性参数的测量也没有太大的实际意义。3  结束语储层岩石连续性特征尺度的研究 ,对于油藏工程及其实验研究有很重要的指导意义 ,它使物体连续性的研究从定性分析的水平上升到定量研究的水平 ,从而使物体连续性理论在科学研究和生产实践中能够发挥更加积极的作用。参 考 文 献1   庄礼贤 ,尹协远 ,马晖扬 . 流体力学 (修订版 ) . 合肥 :中国科学技术大学出版社 ,1991. 5~ 112   李传亮 ,孔祥言 . 多相物体的连续介质假设方法 . 岩石力学与工程学报 ,1999 ,18 (4) :441~ 4433   何更生 . 油层物理 . 北京 :石油工业出版社 ,1994. 20~ 214   葛家理 . 油气层渗流力学 . 北京 :石油工业出版社 ,1982. 10~ 145   孔祥言 . 高等渗流力学 . 合肥 :中国科学技术大学出版社 ,21收稿日期 :2003 改回日期 :2003辑 :李沛然 )A on of S et et 610500) on of a on of of be in by of of in be as of be as of as of of t be of of of is is to of in of to a 6 卷  第 1 期             李传亮 : 储层岩石连续性特征尺度研究
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