[技术讨论]对Hall（1953）有效岩石压缩系数与孔隙度变化曲线的理解 [复制链接]

~~~~~~~~~~~~~不知道

SPE上的东西还是经得起我们这些一般人推敲的

十分感谢发表有见解的观点，学习了！！！

恩泽油露:
高手如云。前来围观。
版主，这帖子应该加精。
曾立志认真看看李老师编写的油藏工程原理，只是没坚持下来。
但有一种感觉，李老师在这个问题上的很多理论是建立在“孔隙度不变原则”基础上的。28楼如果能证明“孔隙度不变原则”到底错在哪里，可能更有说服力。

        所谓的“孔隙度不变”原则，主要错误是搞混了压实和压缩的基本概念。
       首先，我们看看什么是压实：压实作用是沉积物最重要的成岩作用之一。指沉积物沉积后，由于上覆沉积物不断加厚，在重荷压力下所发生的作用。通过压实作用沉积物发生脱水，孔隙度降低，体积缩小，密度增大，松软的沉积物变成固结的岩石。例如泥炭，通过压实体积缩小（到1/20～1/30）后,便转变为坚硬的煤。研究资料表明，碎屑沉积物在300米深处，受压实作用影响，其所含75%以上的水已被排出，石英砂岩由40%左右的原始孔隙降低至30%～10%。
　　压实作用受有效应力的增加，压实速率（即可压缩性）强烈地受颗粒大小的影响。由于压实作用涉及孔隙度损失，以及由此引起孔隙流体的排替，所以，压实速率也受渗透率的控制。
　　欠压实和异常高压是伴随发生的，否定了欠压实就是否定了异常高压。
　　异常高压形成的主要原因是：（1）沉积体中具有足够低的低渗透性岩石，使得流体流动速度相对沉积体压力恢复速度而言小得可以忽略，异常高压通常出现在以页岩为主的沉积环境。（2）区域构造应力传递给流体所造成异常高压。（3）由地质年代较新的沉积物在盆地中迅速沉积和埋藏过程中，低温增高，孔隙流体膨胀比压实膨胀要大得多，在这种情况下，在岩石流体中产生异常高压。（4）当沉积物发生快速埋葬或者沉积物中有大量粘土矿物，使沉积物形成了一个层间水的，膨胀的粘土颗粒的疏松体系，而产生异常高压。（5）粘土层上覆于异常压力地层之上的时间可达数百万年之久，而压力并没有应流体流过粘土层或页岩层而释放。当粘土被压实后，孔隙度和渗透率都非常低，以至于水无法流动，形成异常高压。（6）在沉积物中大部分有机质在成岩过程中转化为液态和气态烃，在转化过程中，生成的流体会产生或加剧在压实的粘土沉积物的异常高压。（7）埋藏在下覆地层中的烃类流体和盐度较低的淡水垂直运移造成异常高压。（8）流体在高压差的渗透作用下可穿过一套互层的砂泥岩，从而出现异常高压。
        钻井实践证实：在世界各地都发现了异常高压地层，且其形成机制各不相同，可能有物理的、化学的、物理化学的相互作用。但多数情况下，压力的增高是由于水不能从被压实的沉积物中排除所致。  
    砂岩的压实作用不但取决于有效应力史，也取决于砂岩的力学性质。不同碎屑成分和自生胶结物的力学强度合在一起决定了沉积物的总力学强度，而特定砂层对有效应力增大的反应就是由这一总力学强度决定的。
        Bloch等（2002）使用的压实作用和胶结作用的数字模型研究了有效应力史、碎屑颗粒延展性和发生石英胶结作用之间的关系。这些模型对比了设想的富石英砂（坚硬）和富碎屑砂（有延展性）。对这两种砂来说，早期超压都可以在温度达到能产生重要的石英胶结作用（约>90℃）之前提供一个孔隙度可能得到保存的深度窗。晚期发育的超压对孔隙度的影响要小得多或可以忽略不计。如果有充足的时间并且温度随埋深而增加，则这些模型预测，在缺失结实的颗粒包壳的情况下，因压实作用受到抑制而保存下来的粒间孔隙将受到石英胶结物的充填，从而使流体超压的正效应失效。
    通常，沉积物负荷引起有效应力增加是促使压实作用降低砂岩孔隙度的最重要的因素。砂层孔隙度之所以能从地表沉积时的40%-50％下降到成岩前的标准值25%-32％，就是因为机械压实作用占了主导地位（House- knecht，1987；Paxton等，2002）。流体超压的发育降低了垂向有效应力（VES），因而也降低了埋藏砂层内由粒间接触面和胶结物-颗粒接触面承受的负荷。超压可以使压实速率下降，但不能使孔隙度增加。实验数据和经验证据都表明，砂层的压实作用是不可逆的（Giles，1997）。
       孔隙度保存都是砂岩中有超压流体的结果（Ramm和Bjorlykke，1994；Wilson，1994；Osborne和Swarbrick，1999）。这种认识被大多数盆地模拟方案所采用，它们都设想存在一种简单的孔隙度对有效应力的依存关系（Schneider和Hay，2001）。因此，基于超压作用可以预测超压层段比正常压力层段有更有利的储集性。第一，可能因压实作用而丧失的孔隙度由于存在超压而得到了保存，因而在很大深度出现了异常孔隙度砂岩。第二，已提出的超压会阻止粒间压溶的发生，由此排除了设想的硅质基本来源，所以明显的石英胶结作用也就得到了限制或阻断（Osborne和Swarbrick，1999；Walgenwitz和Whonham，2003）。
        什么是“压缩”？我们目前所言的压缩，主要是指油田投入开采以前，产层上覆岩石和流体自重所产生的应力（外压）、产层中的孔隙流体压力（内压）以及岩石骨架所承受的压力（骨架应力）处于平衡状态。油田投入开采后，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。此时，岩石颗粒被挤压变形，排列更加紧密而使孔隙体积缩小。根据地层压缩系数定义
                    Cf=(— 1/φ)(dφ/dP)  
对上式进行积分得
                   φ=φi*e^[—Cf*(Peff-Peffi)]
式中：
Cf为地层压缩系数，1/MPa；φ为有效应力Peff对应的孔隙度，%;φi为原始储层孔隙度，%；Peff为油层经过t时间开采的储层有效应力，Peff=σ—P； MPa；Peffi为原始状态的有效应力，Peffi=σ-Pi；MPa；σ 为上覆岩石压力，MPa；P为储层经过t时间开采的孔隙压力，MPa；Pi为储层原始孔隙压力，MPa。e=2.718。
上式进一步简化得：
                           φ=φi*e^[-Cf*(Pi-P)]
由上面的式子可知
    孔隙度是有效应力的函数，或者说是储层孔隙压力的函数。
        这主要是因为，岩石上覆压力、孔隙流体压力和骨架应力三个压力中，岩石骨架应力是一个内力，在上覆岩石压力不变时，孔隙压力减小，岩石孔隙体积减小，作用在岩石颗粒上的作用力减小，因而岩石骨架体积膨胀。而骨架应力（内力）增加，其作用力挤压岩石，使岩石骨架体积又受到压缩。使岩石孔隙度变小。

    在油田开发过程中，孔隙压力下降，作用在岩石骨架的有效应力将增加。由于孔隙度是孔隙压力和有效应力的函数。所以，孔隙度的变化随孔隙压力和有效应力的变化而变化，即
                    φ=f(Pp,σ）
所以，下式成立
                   φ= (φi*e^[-Cf*(Pi-P)]
     当孔隙压力下降时，挤压压实颗粒的作用力减小，因而骨架颗粒体积膨胀，孔隙体积较小，导致孔隙度减小。而有效应力的增加导致岩石颗粒进一步变形，发过来导致骨架颗粒又被压缩，颗粒间接触更为紧密，如果超过一定条件，也会使骨架颗粒胶结破坏，颗粒破裂，导致孔隙结构也相应发生改变，导致孔隙度发生变化。
  

感谢34楼的回复。
其实，依照自己的第六感觉，我个人也不太赞同“孔隙度不变原则”。因才疏学浅，找不出李老师孔隙度不变原则理论的错误之处。
个人认为，认识一个事物，如果从不同观点出发，却得到了相同的结论，那这个结论基本是可靠的。若从不同的观点出发得出了不同的结论，那么要反对其中一个结论，就必须从它的出发点开始找到反驳的依据。盲人摸象的故事也能说明这个道理。
因此个人认为，如果要反驳“孔隙度不变原则”，必须从李老师的论据及论证过程着手，而不是其它途径。否则就是各说各话，谁也说服不了谁。

大牛啊，李教授

不是油藏人，凑热闹。

我赞同孔隙度不变原则。当然，是基于“压缩”而不是“压实”这个前提。

碎屑岩里，大体情况下，埋深越深，孔隙度越小，应当是压实作用和压实效果的不同，导致深部的孔隙度更小，比如浅部的砂岩里，胶结类型里容易见到孔隙式、接触式，而深部砂岩里，更容易见到嵌入式的。我的认识是，这些反映的是压实效果上的差异，而不是压缩效果上的差异，因为岩石的结构已经发生了质的变化。
34楼以及37楼讲的压缩，让我有点糊涂，我个人理解的压缩应当是弹性变形，也就是可逆，岩石结构没有质的变化，基于这个前提下，孔隙度不变。

xnlj:
不是油藏人，凑热闹。
我赞同孔隙度不变原则。当然，是基于“压缩”而不是“压实”这个前提。
碎屑岩里，大体情况下，埋深越深，孔隙度越小，应当是压实作用和压实效果的不同，导致深部的孔隙度更小，比如浅部的砂岩里，胶结类型里容易见到孔隙式、接触式，而深部砂岩里，更容易见到嵌入式的。我的认识是，这些反映的是压实效果上的差异，而不是压缩效果上的差异，因为岩石的结构已经发生了质的变化。
.......

            我并不反对阁下接受“孔隙度不变原则”。只是你将地层的压缩理解成了可压缩后释放可恢复的弹簧了。地层流体被采出以后，储层孔隙压力下降，有效应力增大，地层这个“弹簧”就受到压缩，有效应力越大，储层压缩就越严重。弹簧就压的越紧，不知道从什么地方来的恢复力。有所谓的可逆之说。

        岩石压缩系数受多孔介质的物理特性、岩石类型、胶结物量、胶结强度、储层地质应力和压实程度等影响。所以，我们在探讨岩石压缩时，考虑的都是胶结砂岩或固结较好的灰岩；Hall先生在做实验研究时，同样采用的是胶结岩石进行的实验，不是非胶结岩石或脆性砂岩。所以，Hall曲线不适合非胶结和裂缝地层的储层压缩性分析。