Question

储集层的渗透性

Answer 1

储集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它们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，那就叫非渗透性岩石，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。它是评价储集层产能的主要参数之一。

岩石渗透性的好坏用渗透率来表示。渗透率是一个具有方向性的向量，也就是说，从不同方向测得的岩石渗透率是不同的。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的概念。

(一)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，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。大量实验研究表明，当单相流体通过多孔介质沿孔隙通道呈层状流动时，遵循直线渗滤定律，法国人亨利·达西(1856)首先建立了这一定律，其简单表达式如下:

石油与天然气地质学

式中:k为渗透率;Q为液体的体积流量;Δp为岩样两端的压差;μ为液体的黏度;A和L分别为岩样的横截面积和长度。因此有:

石油与天然气地质学

对于气体而言，由于气体的体积流量随温度和压力的变化而变化。因此，用达西公式计算气测渗透率时要作适当的变换。若假定气体是在恒温情况下通过岩样的，则岩石气测渗透率的表达式为:

石油与天然气地质学

式中:p₁为岩样进口处压力;p₂为岩样出口处压力;Q₂为通过岩样后，在出口压力(p₂)下，气体的体积流量;μ_g为气体的黏度;A和L分别为岩样的横截面积和长度。

在法定计量(SI)单位中，渗透率的单位为平方米(m²)，常用平方微米(μm²)表示。在标准制(C·G·S)单位中，渗透率的单位是达西(D)。由于用达西作为含油气层岩石渗透率的单位有时太大，故一般取其千分之一作单位，称为毫达西(mD)。按上述规定，1达西(D)=0.987μm²;1毫达西(mD)=0.987×10^－3μm²。

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。但在实际测定工作中，人们发现同一岩样，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;以液体为介质测得的渗透率总是低于用气体测得的渗透率。由于目前主要用空气或氦气测定岩石的绝对渗透率，故又称气体渗透率。

储集层的渗透率无论是垂向上还是横向上都有很大的差别，一般变化在0.001～1μm²之间，最高可达几个μm²。Калинко(1983)按渗透率大小将储集层分为7级(表3－2)。对石油和天然气储集层评价的标准是不一样的。

(二)有效渗透率和相对渗透率

以上我们讨论了岩石孔隙中只有单相流体充满时岩石的渗透率情况。但在实际地层条件下，储集层孔隙中的流体往往不是单相的，而是两相(油－气、油－水、气－水)，甚至三相(油－气－水)同时存在。各相流体之间存在着互相干扰和影响，因而岩石对其中每一相流体的渗流作用，与单相流体饱和时的渗流作用有很大区别。因此，又提出了有效渗透率和相对渗透率的概念。

表3－2 储集层渗透率评价表

有效渗透率又称相渗透率，是指储集层中有多相流体共存时，岩石对其中每一单相流体的渗透率。分别用k_o、k_g、k_w表示油、气、水的有效渗透率。

相对渗透率是指岩石中多相流体共存时，岩石对某一相流体的有效渗透率与岩石绝对渗透率之比值。通常用k_o/k、k_g/k、k_w/k分别表示油、气、水相的相对渗透率。

由于岩石中有多相流体渗流时，必然会相互影响和干扰，因此，岩石的有效渗透率总是小于绝对渗透率，故相对渗透率总是变化在0～1之间。

有效渗透率和相对渗透率不仅与岩石的结构有关，而且还与流体的性质和饱和度有密切关系。一般地说，每一相流体发生渗流时都有一个临界饱和度值，当其饱和度低于其临界饱和度时，不发生渗流，有效渗透率和相对渗透率为零;当其饱和度达到临界值时，才能渗流，而且随着饱和度的增加，其有效渗透率和相对渗透率也增加，直到全部被它饱和时，其有效渗透率等于绝对渗透率，相对渗透率等于1为止。

图3－1和图3－2是在实验室里用松散沙子测得的油、气、水的相对渗透率与它们的饱和度的关系曲线。图中表明某一单相流体的有效渗透率和相对渗透率与其饱和度(某一单相流体体积与岩石孔隙体积之比值)成正相关关系。随着该相流体饱和度的增加，其有效渗透率和相对渗透率均增加，直到全部被某一单相流体所饱和，其有效渗透率等于绝对渗透率，相对渗透率等于1为止。

图3－1 油气饱和度与相对渗透率的关系曲线(据Levorsen，1954)

图3－2 油水饱和度与相对渗透率的关系曲线(据Levorsen，1954)

(三)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的，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(图3－3)，特别是有效孔隙度与渗透率的关系更为密切。

图3－3 不同时代的砂岩孔隙度和渗透率关系图(据Füchtbauer，1967)

对于碎屑岩储集层，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。