Проницаемость

ПОРИСТОСТЬ

Пористость горной породы – это свойство породы, заключающееся в наличии в ней всякого рода пустот (пор, каверн, микро - и макротрещин).

Различают общую, открытую, эффективную и закрытую пористость.

Общая пористость – это объём всех пор в породе. Коэффициент общей пористости представляет собой отношение объёма всех пор к общему объёму породы:

K_п.=V_п/V_о

Открытая пористость – это объём сообщающихся между собой пор, каверн, трещин. Коэффициент открытой пористости равен отношению объёма открытых пор к объёму образца породы:

K_оп=V_оп/V_о

Коэффициент открытой пористости отражает способность породы заполняться флюидом через сообщающиеся поры. Экспериментально он определяется насыщением керосином образца горной породы и находится по соотношению объема вошедшего в сухой образец керосина и объема образца. Считается, что керосин заполняет только сообщающиеся поры.

Эффективная пористость – это объём тех пор и соединяющих их каналов, по которым возможно перемещение флюидов и извлечение их при разработке. Коэффициент эффективной пористости равен отношению объёма пор, через которые возможно движение нефти, воды и газа при определённых температурах и градиентах давления к объёму образца породы:

K_эп=V_эп/V_о

Коэффициент эффективной пористости экспериментально находится путем заполнения образца искусственно приготовленной смесью нефтяного флюида, моделирующей его свойства.

Под закрытой пористостью подразумевается объём изолированных пор, не имеющих связи с другими пустотами.

Пористость измеряется в процентах. Величина коэффициента пористости горных пород может достигать до 40%.

По размерам все пустоты или поры делятся на:

1. Сверхкапиллярные (крупнее 0,5мм). Движение флюидов подчинено законам гидравлики (нефть и газ перемещаются под действием гравитационных сил).

2. Капиллярные (размеры 0,5 – 0,0002 мм). Движение жидкости затруднено вследствие сил молекулярного сцепления.

3. Субкапиллярные ( размеры менее 0,0002 мм). Фильтрация воды по таким порам невозможна. Возможен процесс диффузии – это самопроизвольное перемещение веществ на молекулярном уровне по направлению уменьшения концентрации. Субкапиллярные поры характерны для глинистых пород.

Проницаемость – способность горных пород пропускать через себя жидкость или газы при наличии перепада давления. Очень часто породы, обладая довольно большой пористостью (например, глины, пористость которых достигает до 40 %), практически не проницаемы. Вследствие чего они не могут отдавать содержащиеся в их порах нефть и газ. Поэтому для оценки практической значимости коллекторов необходимо иметь сведения и о пористости, и о проницаемости.

Различают следующие виды проницаемости: абсолютная, эффективная (фазовой) и отно­сительная.

1. Абсолютная проницаемость – это проницаемость, измеренная при прохождении через породу какого–либо флюида в условиях полного насыщения пор породы этим флюидом.

2. Эффективная (фазовая) проницаемость – это проницаемость, определённая по какому–либо флюиду в присутствии в породе другого флюида.

3. Относительная проницаемость определяется отношением эффективной проницаемости к абсолютной. Выражается безразмерной величиной меньше 1.

Проницаемость является одним из важнейших факторов миграции нефтегазовых флюидов. Она подчиняется закону Дарси, согласно которому скорость линейной фильтрации и расход жидкости, прошедшего через пористую среду площадью при струйном ламинарном потоке, прямо пропорциональны перепаду давлений и обратно пропорциональны его динамической вязкости:

V= Q / F =k_пр∆P / μ L, где

V – скорость линейной фильтрации флюида (м/c);

Q – расход жидкости (м³/c);

F – площадь поперечного сечения (м²);

k_пр – коэффициент проницаемости (м² );

∆P – перепад давления (Па);

μ – динамическая вязкость (Па*с);

L – длина образца (м).

Коэффициент проницаемости пропорционален расходу жидкости, его вязкости и длине образца и обратно пропорционален ее площади и перепаду давлений:

K_пр=Qμ L / F ∆P.

В системе СИ коэффициент проницаемости измеряется в м². Проницаемость в 1 м² – это очень большая величина. В природе таких высокопроницаемых пород не существует, поэтому проницаемость горных пород оценивается в микрометрах квадратных:

1 мкм² = 1 *10^-6м².

До введения системы СИ в системе СГС в качестве единицы измерения проницаемости использовалась величина Дарси (Д). В настоящее время за единицу проницаемости принимается 1 мкм² – это такая проницаемость, при которой через поперечное сечение в 1 см ² при перепаде давления в 0,1 МПа за 1 с проходит 1 см ³ жидкости вязкостью в 0, 001 Па с:

1Д=1,02*10^-12м²=1 мкм²

1мД=0,001 мкм².

По величине коэффициента проницаемости породы-коллектораделятся на 5 классов:

I – очень хорошо проницаемые более 1 мкм²;

II – хорошо проницаемые - 0,1- 1 мкм²;

III – среднепроницаемые - 0,01 – 0,1 мкм ²;

IV – слабопроницаемые - 0,001 – 0, 01 мкм²;

V – непроницаемые менее 0, 001 мкм².

Практическое значение с точки зрения нефтенакопления и нефтеотдачи имеют коллекторы первых трёх классов, а для газов также и четвёртый класс.

Проницаемость пород – коллекторов зависит от: плотности укладки и взаимного расположения зерен (рис.5); степени отсортированности, цементации и трещиноватости; взаимосообщаемости пор, каверн и трещин.

Рис. 5. Схема укладки сферических зёрен одного размера

при ромбоэдрической (а) и кубической (б) упаковках.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРРИГЕННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Вопрос классификации коллекторов имеет большое практи­ческое значение при разведке месторождений. Поскольку фак­торов, определяющих коллекторские свойства, слишком много, создать удовлетворительную классификацию очень трудно. Почти все существующие классификации достаточно формальны. Груп­пы и классы коллекторов выделяются в них в основном по вели­чинам пористости и проницаемости. Но для оценки качества коллекторов пород совершенно необходимой является и литологическая характеристика.

В общем виде породы-коллекторы подразделяются на про­мышленные нефтеносные, из которых возможно получение доста­точных по величине притоков, и непромышленные, из которых по­лучение таких притоков на данном этапе невозможно. Для газа в связи с его подвижностью категория промышленных коллекторов расширяется.

Основная масса терригенных коллекторов характеризуется межзерновым (поровым) пространством – это межзерновые или гранулярные коллекторы. Однако среди терригенных пород встречаются и коллекторы со смешанным характером пустотного пространства. Выделяются трещинно-поровые и даже кавернозно-поровые разности.

Одна из первых классификаций в нашей стране была создана П.П. Авдусиным и М.А. Цветковой. В качестве основного крите­рия была предложена величина эффективной пористости. Всего было выделено пять классов: А — с эффективной пористостью более 20%; В - 15-20%; С - 10-15%; D - 5-10%; Е - менее 5%.

В настоящее время наиболее широко применяется классифи­кация А.А. Ханина. Анализ большого фактического материала позволил А.А. Ханину установить зависимость между величинами полезной емкости и проницаемости для отдельных групп коллекторов, выделяемых по гранулометрическому составу (среднезернистые, мелкозернистые песчаники, алевролиты с преобладаниемкрупно- и мелкоалевритовой фракции).

На основе анализа построения кривых было выделено шесть классов коллекторов (I, II, III, IV, V, VI) с проницаемостью соот­ветственно свыше 1000 мД, 1000-500, 500-100, 100-10, 10-1 мД и менее.

Каждому типу песчано-алевритовых пород в пределах того или иного класса соответствует своя величина эффективной пористости. Породы, относящиеся к VI классу с проницаемостью менее 1 мД, в естественных условиях обычно содержат 90% и бо­лее остаточной воды и не являются коллекторами промышленно­го значения. С учетом гранулометрического состава пород клас­сификация терригенных коллекторов, по А.А. Ханину, представ­лена в табл. 1. В рамках одной классификации трудно учесть все свойства. Можно идти по пути создания особых классифика­ций для отдельных типов пород.

Таблица 1

Классификация терригенных коллекторов (по А.А. Ханину)

Класс коллек-­ тора	Породы	Эффектив- ная порис­тость, %	Проница- емость по газу, мД	Характеристика коллек-тора по проницаемости и емкости
I	Песчаник среднезернистый	> 16,5	> 1000	очень высокая
	Песчаник мелкозернистый	> 20	то же	то же
	Алевролит среднезернистый	> 23,5	«	«
	Алевролит мелкозернистый	> 29	«	«
II	Песчаник среднезернистый	15-16,5	500-1000	высокая
	Песчаник мелкозернистый	18-20	то же	то же
III	Алевролит среднезернистый	21,5-23,5	500-1000	то же
	Алевролит мелкозернистый	26,5-29	то же	«
	Песчаник среднезернистый	11-15	100-500	средняя
	Песчаник мелкозернистый	14-18	то же	то же
	Алевролит среднезернистый	16,8-21,5	«	«
	Алевролит мелкозернистый	20,5-26,5	«	«
IV	Песчаник среднезернистый	5,8-11	1-100	пониженная
	Песчаник мелкозернистый	8-14	то же	то же
	Алевролит среднезернистый	10-16,8	«	«
	Алевролит мелкозернистый	12-20,5	«	«
V	Песчаник среднезернистый	0,5-5,8	1-10	низкая
	Песчаник мелкозернистый	2-8	то же	то же
	Алевролит среднезернистый	3,3-10	«	«
	Алевролит мелкозернистый	3,6-12	«	«
VI	Песчаник среднезернистый	< 0,5	< 1	весьма низкая
	Песчаник мелкозернистый	< 2	то же	обычно не
	Алевролит среднезернистый	< 3,3	«	имеет практи-
	Алевролит мелкозернистый	< 3,6	«	ческого значения

КЛАССИФИКАЦИЯ КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Карбонатные породы как коллекторы нефти и газа уверенно конкурируют с терригенными образованиями. По различным данным, от 50 до 60% современных мировых запасов углеводородов приуро­чено к карбонатным образованиям. Среди них выделяются наи­лучшие по качеству коллекторы - карбонатные породы рифовых сооружений. Добыча нефти и газа, большая по объему, произво­дится из известняков и доломитов, в том числе из палеозоя и докембрия; наиболее крупные месторождения открыты в мезо­зойских и палеозойских породах, прежде всего в странах Ближне­го Востока. Крупные скопления в рифовых сооружениях мезо­зойского возраста открыты в бассейне Мексиканского залива (Золотой пояс, Кампече и др.). Из рифовых известняков были получены и рекордные дебиты (десятки тысяч тонн в сутки). Можно отметить некоторую связь между развитием карбонатных коллекторов и усилением карбонатонакопления в геологической истории, что связано с общей цикличностью геотектонического развития и периодичностью осадкообразования.

Карбонатные коллекторы характеризуются специфическими особенностями:

1. Крайней невыдержанностью, значительной из­менчивостью свойств, что затрудняет их сопоставление.

2. В них от­носительно легко происходят разнообразные диагенетические и катагенетические изменения.

3. Фациальный облик известня­ков в большей мере, чем в обломочных породах, влияет на фор­мирование коллекторских свойств.

4. В минеральном отношении карбонатные породы менее разнообразны, чем обломочные, но по структурно-текстурным характеристикам имеют гораздо больше разновидностей.

5. В процессе изучения коллекторских свойств карбонатных толщ решающая роль играет генезис отложений и гидродинами­ка среды для формирования структуры пустотного пространства, которая может быть более или менее благоприятна для формиро­вания коллекторов и определяет характер последующих преобра­зований .

6. Карбонатные породы легко подвергаются вторичным изменениям. Это связано с их повышенной растворимостью. Особенно велико влияние вторичных преобразований в породах с первично неоднородной структурой порового пространства.

7. По характеру постседиментационных преобразований карбонатные породы отличаются от терригенных. Прежде всего, это касается уплотнения. Остатки биогермов с самого начала представляют практически твердые образования, и далее уплотнение идет уже медленно.

8. Карбонатный ил также может быстро литифицироваться, при этом в нем возника­ют своеобразные фенестровые пустоты за счет выделения пузырь­ков газа. Мелкообломочные, комковато-водорослевые карбонатные осадки также быстро литифицируются. Пористость несколь­ко сокращается, но вместе с тем значительный объем порового пространства «консервируется».

В карбонатных породах отмечаются все виды пустот. В зависимости от времени возникновения они могут быть первичными (седиментационными и диагенетическими) и вторичными (постдиагенетическими).

В органогенных карбонатных породах к пер­вичным относятся пустоты внутрираковинные, в том числе внутри рифовых построек, а также межраковинные. Некоторые карбонатные породы могут быть хемогенного или биохемогенного происхождения, они обра­зуют резервуары пластового типа. К ним относятся прежде всего оолитовые, а также известняки с меж- или внутриоолитовой пустотностью. Слоистым или массивным известнякам свойственны пелитоморфные или скрытокристаллические, а также кристалли­ческие структуры. В кристаллических, особенно, в доломитизированных породах развита межкристаллическая (межзерновая) по­ристость.

Карбонатные породы в большей мере, чем другие, подвержены вторичным преобразованиям (перекристаллизация, выщелачивание, стилолитообразование и др.), которые полностью меняют их физические свойства, а иногда и состав (процессы доломитизации и раздоломичивания). В этом состоит сложность выделе­ния природных резервуаров, так как одна и та же порода в одних условиях может рассматриваться как коллектор с очень высокими свойствами, а в других, если нет трещин, может являться покрышкой. Созданию вторичных пустот способствуют процессы растворения (выщелачивания), перекристаллизации, в основном доломитизациии раздоломичивания или стилолитизации.

Те или иные процессы сказываются по-разному в зависимости от гене­тического типа породы.

Цементация может начаться очень рано и происходить быстро, как это хорошо видно на примере бичроков. Кальцитовый цемент выкристаллизовывается за счет выпарива­ния морской воды, заливающей пляж, и частичного растворения нестойких минералов. Пляжный карбонатный песок может отвердевать за несколько дней. Подобная почти мгновенная литификация происходила и в прошлые времена. Дальнейшая судьба оставшихся в каркасе такого «литификата» пустот может быть различна.

При перекристаллизации происходит существенное измене­ние структуры и текстуры пород. В целом этот процесс направ­лен в сторону увеличения размера кристаллов. Если при пере­кристаллизации часть вещества выносится, пористость возраста­ет. Наибольшей вторичной пористостью обладают неравномер­но перекристаллизованные породы. Рост крупных кристаллов способствует образованию микротрещин.

Наиболее эффективное влияние на формирование вторичной пустотности оказывает выщелачивание и метасоматоз (в основном доломитизация). Растворение при выщелачивании проявляется по-разному в зависимости от большей или меньшей дисперсности слагающих породу частиц. Тонкодисперсные компоненты сильнее подвержены этому процессу. Растворимость так зависит от состава минералов и вод: арагонит растворяется лучше, чем кальцит, сульфатные воды более активно растворяют доломит и т.д. Анализ изменения фильтрационно-емкостных параметров, определяемых, в том числе выщелачиванием, устанавливает их весьма отчетливую связь со структурно-генетическими типами пород.

Доломитизация является одним из ведущих факторов при формировании коллекторов. На образование доломита влияет со­отношение в воде магния и кальция и общая величина соленос­ти. При более высокой концентрации солей требуется и большее количество растворенного магния. В процессе диагенеза доломит возникает за счет своих предшественников — таких, как магнези­альный кальцит.

Первичная диагенетическая доломитизация не имеет существенного значения для формирования коллекторских свойств. Метасоматическая доломитизация в катагенезе более важна для преобразования коллекторов. Для доломитообразования необходимо поступление магния. Источники его могут быть различны. При катагенетических процессах в условиях повышен­ных температур растворы теряют магний, обменивая его на каль­ций вмещающих пород. На примере Припятского прогиба видно, что между составом рассолов и интенсивностью вторичной доло­митизации устанавливается отчетливая зависимость. В тех стра­тиграфических зонах, где девонские карбонатные породы наибо­лее сильно доломитизированы, содержание магния в рассолах резко падает, он используется для образования доломита.

При метагенетической доломитизации особенно заметно увеличение пористости, так как процесс идет в породе с жестким скелетом, которая трудно поддается уплотнению. Общий объем породы со­храняется, пустотность в ней за счет доломитизации повышается.

Обратный процесс раздоломичивания (дедоломитизация) особенно распространен в приповерхностных условиях. Наиболее активно он проходит в разрезах, где доломиты содержат прослои сульфатов. При просачивании вод магний доломитов в растворах соединяется с радикалом SO₄^2- и выносится в виде легко раство­римого MgSO₄. Происходит увеличение пористости пород.

Но перенос сульфатов водами нередко приводит и к проти­воположным результатам с точки зрения качества коллекторов. Легко растворимый CaSO₄ также легко выпадает в осадок и запе­чатывает поры. Так же может влиять и кальцитизация, которая часто выражается в наращивании регенерационных каемок и су­жении порового пространства.

Заканчивая рассмотрение карбонатных коллекторов, необхо­димо еще раз подчеркнуть то, что по сравнению с обломочными породами структура их порового пространства чрезвычайно раз­нообразна. Ненарушенная матрица имеет характеристики, ко­торые определяются прежде всего первичной структурой, кавернозность сильно изменяет эти характеристики, а трещиноватость создает как бы две наложенные друг на друга системы пустот.

Все это и определяет необходимость особой классификации коллек­торов. Такая оценочно-генетическая классификация коллекторов была предложена К.И. Багринцевой (табл. 2).

Таблица 2

Оценочно-генетическая классификация карбонатных пород-коллекторов

Группа	класс	Абсолют-ная про-ницае-мость, Д	Открытая порис- тость, %	Полезная емкость и фильтра-ционные свойства	Тип коллектора	Текстурно- структурная характеристика
А	I	0,1-0,5	25-35	высокие	Кавернозно- поровый	Биоморфные орган.- детр., комковатые
II	0,5-0,3	16-35
Б	III	0,3-0,1	12-28	средние	Поровый, трещино-поровый	Орган.-детр., реликтовые
IV	0,1-0,55	12-25
V	0,05-0,01	12-25	Орган.-сгустково-детритовые
В	VI VII	0,0-0,001 0,001-0,0001 0,300-0,02	6-10 1-5 1-4,5	низкие	Порово-трещин. трещин. каверново-трещинный	Пелитомофно-микрозернистые, сгустко- водетритовые

Определяющим параметром предлагаемой классификации является проницаемость, предельные значения которой взяты из анализов коллекторских свойств пород различного генезиса и структурных особенностей. Минимальные и максимальные зна­чения оценочных показателей (пористости, газонефтенасыщенности и др.) получены из корреляционных зависимостей между проницаемостью, пористостью и остаточной водой. Наиболее характерна связь остаточной водонасыщенности с абсолютной проницаемостью.

В породах по мере улучшения фильтрационных свойств ко­личество остаточной воды уменьшается. Пористость может быть различной, при этом даже высокие (более 15%) значения откры­той пористости бывают в породах с низкими фильтрационными свойствами. Между открытой пористостью и остаточной водонасыщенностью связь неопределенная.

Низкопористые породы всегда отличаются большим содержа­нием воды, а высокопористые имеют двойственную характерис­тику: хорошо проницаемые заключают небольшое количество воды, а плохо проницаемые — значительное (более 50%). В клас­сификационной схеме все коллекторы подразделяются на три большие группы А, Б, В, внутри которых в свою очередь выделя­ются классы, характеризующиеся разными оценочными парамет­рами, литологическими и структурными особенностями. Группы А и Б представлены в основном коллекторами порового и каверново-порового типов, В — трещинного и смешанного типов. В породах группы А преобладают первичные пустоты, размеры которых увеличены в процессах последующего выщелачивания.

В породах группы Б развиты седиментационные поровые ка­налы; меньшую роль играют пустоты выщелачивания. Строение пустотного пространства в породах группы А значительно проще, чем в группе Б, а наиболее сложно оно в группе В. Здесь преоб­ладают мелкие извилистые, плохо сообщающиеся каналы. Кол­лекторы I и II классов в группе А обладают в основном унаследо­ванными высокими фильтрационными и емкостными параметра­ми. В III, IV и V классы попадают породы обломочно-органоген ные и биохемогенные с низкими первичными коллекторскимк свойствами. Вторичное минералообразование, перекристаллиза­ция, доломитизация, раздоломичивание, особенно сопровождающиеся выщелачиванием и выносом материала, улучшают их свойства. В VI и VII классах выделены породы таких хемогенных и биохемогенных разностей, петрофизические характеристик которых никогда не достигают высоких значений. Но здесь в большей степени, чем в породах высших классов, проявляется другой фактор — трещиноватость.

Дата добавления: 2014-11-29