基础知识和基本概念

岩石是天然形成的,由一种或多种矿物及其他组分(天然玻璃、有机质等)组成的,具有一定结构、构造和稳定外形的固态集合体。 岩石是组成地壳的基本物质,岩石的化学成分和地壳一样。

基础知识和基本概念

• 矿物学和岩石学基础
  • • 矿物学和岩石学基础
      • 一、矿物、岩石和矿石 矿物是在地质作用中形成的天然单质或化合物，具有相对固定的化学成分、物理性质和结晶构造，是岩石和矿石的基本组成部分。在自然界中，矿物的总数在3000种以上，但常见的、组成岩石的矿物只有几十种。矿物是天然产出的，通常由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构〉的均匀固体• 岩石是在地质作用下形成的、由一种或多种矿物组成的集合体，是地球物质的重要组成部分。矿石是可以从中提取有用元素、化合物或矿物的天然矿物集合体。存在于地壳之中，具有一定规模的、有开采价值的矿石形成了矿床。主要有：金属矿石和非金属矿石。
      • • 岩石研究的尺度问题
          • •第一种是矿物颗粒(grain)的尺度，亦可称为矿物尺度
          • (micro-scale ):研究各个矿物的性质，矿物与矿物之间相互的接触几何等，
          • •第二种是研究由多个矿物组成的岩石尺度，通常称为岩石尺度(macro-scale):在这种尺度下，矿物的性质被平均掉了，取而代之的是岩石的性质;
          • •第三种尺度则更大了，不仅包括了完整的岩石，而且还包括了多种岩石的组合，包括了岩石中的节理等间断面，这种称为岩体(mega-scale)的尺度，岩体性质取决于岩石的组成和各种间断面的控制;
          • •最后一种尺度是地质尺度(gtga-scale)，它是各级尺度性质的高度且复杂的综合。地质现象是由矿物、岩石、岩体和构造运动的总体所决定的。
      • 岩石的分类原则和标准
        • 1、岩石的分类：按成因， 般把岩石分为三大类：火成岩、沉积岩和变质岩。
        • 2、成岩旋回：由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以互相转变。
        • 3、岩石特点：1）高温高压环境 99%的物质处于1GPa,600° 高温环境下。 2）多孔介质 固体矿物+孔隙 3）长期作用 漫长的地质年代 4）最广泛的应用材料 分布最广、重量最大、应用最广泛
• 多孔介质及其描述
  • • 多孔介质是含有大量孔隙的固体。在岩石中，孔隙空间由孔、裂隙组成。可以从以下几个方面来定义和描述多孔介质：
      • (1)多孔介质是多相介质占据的空间，其中的固相部分称为固体骨架，被非固相部分所占据的空间称为孔隙。非固相部分可以是气体或液体，也可以是多相混合的流体。(2)固相骨架和孔隙均应遍布在整个介质中。如果在介质中任意取一个适当大小的体积元，则在该体积元内必定含有一定比例的固体颗粒和孔隙。 (3)由孔隙所占据空间的部分或大部分必须是相互连通的。换句话说，流体应能在部分或大部分孔隙之间相互流动。相互连通的孔空间称为有效孔隙空间 ，不相互连通的空间称为无效孔隙空间。 如果孔隙只在一个确定的局部空间内相互连通而与该空间之外的孔隙不连通则对于整个空间来讲该局部空间相当于是一个无效孔隙空间。
      • • 固体基质：组成岩石的矿物颗粒； 岩石骨架：由岩石固体基质和孔隙组成的部分，但是孔隙中 不包含流体，为空孔隙； 孔隙中包含的流体：油、气、水或者它们的混合物。
      • 描述多孔介质的主要参数：孔隙度，比面，曲折度，渗透率，压缩性系数
• 岩石的孔隙度
  • 概念：岩石的空隙是指岩石中未被碎屑颗粒、胶结物或其他固体物质充填的空间。习惯上用“孔隙”来代替“空隙”。
  • 岩石的孔隙度反映了岩石中孔隙的发育程度，表征岩石储集流体的能力。
  • 岩石孔隙体积Vp与岩石的外表体积Vb(总体积)之比，用希腊字母φ表示。 Vb= Vp+Vs φ =V孔隙/V岩石*100%=Vp / Vb *100% φ =Vp / Vb *100%=(1- Vs / Vb ) *100% 储集岩石总体积: Vb 基质体积Vs 孔隙体积Vp
  • 储层孔隙的分类
    • 1.按大小分为：
    • 孔隙类型 毛管孔径 (μm) 裂缝宽度(μm) 流动条件 岩石类型 超毛管 >500 >250 能自由流动 裂缝-溶洞及未胶结疏松的砂岩 毛细管 0.2-500 0.1-250 不能自由流动，需要外力克服毛管力 砂岩 微毛细管 <0.2 <0.1 常规条件下很难流动 泥岩、页岩（盖层）
    • 2.按连通状况分连通孔隙孤立孔隙-死孔隙
    • 3.按储渗性能分有效孔隙：连通的超毛管、毛细管孔隙有效孔隙：连通的微毛细管孔隙、死孔隙只有互相连通的“超毛细管孔隙”和“毛细管孔隙”才是有效的油气储渗空间； “微毛细管孔隙”及“死孔隙”是无意义的孔隙空间。
    • 4、不同的孔隙度概念 （1）岩石的绝对孔隙度 岩石的总孔隙体积与岩石的外表体积之比 （2）岩石的有效孔隙度 岩石中的有效孔隙体积与岩石的外表体积之比 （3）岩石中的流动孔隙度 岩石中流体能在其内流动的孔隙体积与岩石的外表体积之比 排除了死孔隙和那些为毛管力所束缚的液体所占的体积，还排除了岩石表面液膜的体积。 绝对孔隙度>有效孔隙度>流动孔隙度注意：流动孔隙度与有效孔隙度的区别 流动孔隙度不考虑无效孔隙，排除了被孔隙所俘留的液体所占据的毛管孔隙空间（包括有效孔隙和液膜占据的空间）。 流动孔隙随地层压力的变化及岩石、流体间物理-化学性质的变化而变化。流动孔隙度是动态参数，在数值上是不确定的。 有效孔隙度反映原始地质储量的大小，而流动孔隙反映可采储量的大小。 储层孔隙度范围 砂岩孔隙度：5%-30%，一般为10%-20% 碳酸岩孔隙度：一般都小于5% 碎屑岩储层分级标准（行业标准）
    • • 双重孔隙度的概念：含有裂缝-裂缝孔隙或溶洞 -孔隙的储层岩石称为双重孔隙介质，简称双重介质。
  • 影响孔隙度的因素：1）岩石的矿物成分 2）颗粒的直径、排列方式和分选性 3）埋藏深度
• 岩石中的流体及流体饱和度
  • 1.概念：流体是重要的孔隙充填物质，是孔隙性岩石的重要组成部分。一般来讲，孔隙流体由水、油和气体组成。在物理上，流体的性质由密度、黏度和弹性来刻画。与地面上的流体不同，地下岩石中的流体处在高温和高压的环境之中。因此，地下流体的物理性质与其在地面上时的物理性质有着很大的不同
  • 2.流体的基本物理参数
    • 1） 密度：与孔隙度的定义类似，流体在一个给定点M处的密度定义为下列极限： ρ(M t, ) = lim mM ( )tV V→ M VM 式中：叫mM(t)是以M为中心的体积元内流体在时刻t的质量。2）黏度：流体的秸度定义为流体中任一点上单位面积的剪应力 与速度梯度的比值，是由流体的内摩擦所产生的阻力。 3）压缩系数：压缩系数是度量在一定的温度下，压力或张力发生变化时流体体积的相对变化量。 af =−V dp1 dV =ρ1 ddpρ,T T= 0 式中，p为压力，T为温度
  • 3.地层水的分类及其物理性质
    • 分类：地层水指岩石孔隙中所含有的水。 为了与地球表面的水相区分，一般将地层水称为地 下水。在油气地层中，水一般存在于油气层的边部、底部、层间或层内。 根据水在岩石中的存在形式，可将其分为束缚水（结合水）和自由水（重力水）。 由于水分子相当于电耦极子，在固体颗粒的表面附近要受到很强的静电吸引力，因此不能在重力的作用下运动。这部分水称为束缚水或结合水。 在远离固体颗粒的地方，由于静电引力衰减遵循反平方定律，水分子主要受重力作用。 在重力作用下能自由流动的水称为自由水或重力水。 地层水是良好的溶剂。 由于长期与岩石颗粒、石油或天然气接触，在地层水中总是含有相当多的金属盐类和一些气体。 这一点与地面水完全不同。 •地层水中的含盐量多少用矿化度来表示，矿化度表示水中矿物盐的浓度。
    • 地层水的物理性质主要通过以下参数表征：1）体积系数 地层水的体积系数随着温度的增加而增加，随着压力的增加而减小2）压缩系数压缩系数是指在恒温条件下，单位体积的地层水在压力改变一个单位时所发生的体积变化3）黏度 地层水的黏度与压力、温度和矿化度有关。
  • 4、石油（原油）的分类及其物理性质：石油（原油）是一种由碳氢化合物（烃类）及少量氧、硫、氮化合物所组成的混合物，其状态取决于温度、压力和分子间的作用力。 根据原油中某些物质的 量，可以对原油进行分类。 溶解汽油比、体积系数、压缩系数、黏度。
  • 5.天然气的物理性质：如在自然界中所有天然生成的气体都可称为天然气；天然气是指从地下开采出的可燃气体。 压缩系数、体积系数和黏度来刻画
  • 6、岩石中流体的饱和度
    • 1.饱和度的定义：对于存在于岩石中的一种流体，其饱和度是指该流体在岩石的孔隙中所占有的体积分数。 在物理上，饱和度描述给定流体在孔隙中所占据空间的大小，它表征了岩石的孔隙被给定流体所占据的程度。
    • 2.几种重要的饱和度 ： 原始含油饱和度；原始含水饱和度；当前油、气、水饱和度；残余油饱和度
    • 3.影响饱和度的因素 ： 岩石的的孔隙结构及其表面性质 油气性质
• 岩石中裂隙及其描述
  • • 裂缝的概念：岩石在应力的作用下自然形成的裂缝，与岩石的强度、岩石所经历构造运动、岩层的构造变形和成岩过程的环境有关。
    • 裂缝的成因：
      • 成岩裂缝：岩石形成过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙
      • 构造裂缝：构造运动中受力产生的
      • 风化裂缝：外动力地质作用下形成的分化裂隙
    • 裂缝的描述：1）常用的单一裂缝参数1.张开度或宽度2.裂缝大小3.裂缝性质4.裂缝方向2）常用的多裂缝参数1.体积裂缝密度2.面裂缝密度3.线裂缝密度
• 岩石中的渗流与渗流基本定律
  • 一、渗流的基本概念 表征渗流特征的物理量称为渗流运动要素，主要有渗流量Q，渗流速度v，压强 P 按地下流体的运动要素和时间的关系，可将地下流体的运动分为稳定流（运动）和非稳定流（运动）两种。 如果流体在运动过程中其质点做有秩序的、互不混杂的运动，则称其为做层流运动。 反之，如果流体的质点在运动的过程中互相混杂，毫无秩序，则称其为紊流运动。 层流和紊流的区分通过流体渗流的雷诺数（ Re ） 来进行。 在垂直于渗流方向上取一个岩石截面，设其面积为A。 通过该截面的渗流量是Q。渗 流速度 v定义为Q和A的比值： v=Q/A 在物理上，渗流速度代表渗流截面上的平均流速，与真实的运动速度无关。 换句话说， 渗流速度只是一种假想的速度。 假设整个渗流截面都被流体充满时，流体就以这种速度流动。 实际上，地下流体仅在孔隙中流动。其方向和速度都可能不同。 因此地下流体的渗流速度是个矢量。 设 u是实际的平均流速，则地下流体的运动速度v和u之间的关系是： v=φ*u
• 影响岩石性质的主要因素
  • 内部因素：矿物成分、结构构造、孔隙流体等
  • 外部因素：温度、压力、埋深、测量条件等
• 常用的岩石物理学模型
• 岩石标本采集
  • 1.系统性2.针对性3.代表性
• 野外与室内观测数据的处理