Коллекторские свойства горных пород

 

 

 

 

КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОДА

К основным признакам, характеризующим  качество коллектора, относятся пористость, проницаемость, плотность, насыщение  пор флюидами (водо-, нефте- и газонасыщенность), смачиваемость, пьезопроводность, упругие силы пласта. Совокупность этих признаков, выраженных количественно, определяет коллекторские свойства породы.

Пористость - совокупность всех пор  независимо от их формы, размера, связи  друг с другом.

Понятие пористости соответствует  полной пористости породы и численно выражается через коэффициент пористости:

 

Кп = Vпор/Vпороды ∙ 100 %.

 

Открытая пористость - совокупность сообщающихся между собой пор, численно соответствующая отношению объема сообщающихся пор к объему породы.

Эффективная пористость - совокупность пор, через которые может осуществляться миграция данного флюида. Она зависит  от количественного соотношения  между флюидами, физических свойств  данного флюида, самой породы. По А.А. Ханину (1969), эффективная пористость - объем поровой системы, способной  вместить нефть и газ с учетом остаточной водонасыщенности.

Наиболее высокие значения характерны для полной пористости, затем открытой и минимальные для эффективной  пористости.

Полная пористость может быть открытой в песках и слабо уплотненных  песчаниках. С увеличением глубины  залегания открытая пористость снижается  интенсивнее, чем полная. Величина полной пористости колеблется от долей процента до десятков процентов.

По генезису поры могут быть первичными и вторичными. Первичные поры между  обломочными зернами называются межзерновыми, внутри органических остатков - внутриформенными. Вторичные поры - трещины и каверны.

Размеры порового пространства - от долей  микрометров до десятков метров. В  обломочных породах - песчаных и алевритовых - размер пор обычно меньше 1 мм. По размеру  выделяются поры сверхкапиллярные > 0,1 мм; капиллярные 0,0002-0,1 мм; субкапиллярные < 0,0002 мм; ультракапиллярные < 0,1 мкм.

Размеры и конфигурация внутриформенной пористости определяется морфологическими особенностями фоссилизированных органических остатков.

Каверны - поры, образованные в результате растворения составных частей хемогенных или биогенных пород или разложения соединений, неустойчивых в определенных термобарических обстановках. Каверны  по размеру бывают от долей миллиметров  до нескольких километров и разделяются  на мелкие - 0,1-10 мм; крупные (микрополости) - 10-100 мм и пещеристые полости - > 100 мм.

Склонность породы к растрескиванию характеризуется ее пластичностью. Пластичность - способность твердого тела под действием механических напряжений изменять свою форму без  нарушения связей между составляющими  частями. Коэффициент пластичности (Кпл) - отношение всей работы, затраченной на разрушение образца, к работе, затраченной на пластическую деформацию. Коэффициент пластичности меняется от 1 до бесконечности (∞). По степени пластичности выделяются три группы пород (табл.2).

 

Таблица 1. Группы пород по степени  пластичности

Группа	Кпл	Пример
Хрупкие	1	Кремни
Пластично-хрупкие	1 - 6	Большинство осадочных пород
Высокопластичные	> 6	Глины, аргиллиты

 

Трещины в породах бывают открытые и закрытые (за счет вторичного смыкания и минерализации). Вследствие тектонических  процессов образуются системы трещин, ориентированных в определенной плоскости. Если вдоль трещин не происходит смещение пород или оно незначительно, то система трещин называется трещиноватостью. В одном пласте может быть несколько систем трещин, обычно разновозрастных.

Практический интерес представляют только открытые трещины, по которым  может осуществляться миграция УВ. Обычно трещинная пористость составляет 2-3 %, иногда до 6 %.

При характеристике трещин различают  густоту, плотность и раскрытость трещин. Густота трещин - количество трещин на 1 м длины в направлении, перпендикулярном простиранию трещин. Плотность трещин - густота трещин на 1 м2 площади. Если в пласте одна система трещин, то величина плотности соответствует густоте. Раскрытость трещин - расстояние между стенками трещин.

Трещинные поры разделяются по степени  раскрытости. По К.И. Багринцевой (1977), трещины подразделяются на очень узкие (0,001-0,01 мм), узкие (0,01-0,05 мм), широкие (0,05-0,1 мм), очень широкие (0,1-0,5 мм) и макротрещины (> 0,5 мм).Е.М. Смехов (1974) предлагал различать микротрещины (< 0,1 мм) и макротрещины (> 0,1 мм).

Особую значимость приобретает  характеристика трещин в коллекторах  сложного типа, которым свойственно  наличие нескольких видов пористости. В табл.2 приводится генетическая классификация трещин ВНИГРИ (Методические рекомендации., 1989).

Проницаемость - способность горных пород пропускать сквозь себя жидкость или газ. Пути миграции флюидов - поры, каверны, соединяющиеся каналами, трещины. Чем крупнее пустоты, тем выше проницаемость. Для оценки проницаемости  обычно используется линейный закон  фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости жидкости.

Закон Дарси применим при условии фильтрации однородной жидкости, при отсутствии адсорбции и других взаимодействий между флюидом и горной породой. Величина проницаемости выражается через коэффициент проницаемости (Кпр):

 

Кпр = Q m L / D p F,

 

где Q - объем расхода жидкости в единицу времени; D р - перепад давления; L - длина пористой среды; F - площадь поперечного сечения элемента пласта; m - вязкость жидкости. Выразив величины, входящие в приведенное выше уравнение, в системе единиц СИ, получим: Q = м3/ с; D р = Н/ м2; L = м; F = м2; m = Н×с/ м2; Кпр = м2. Единица проницаемости в системе СИ соответствует расходу жидкости 1м3/с при фильтрации ее через пористый образец горной породы длиной 1м, площадью поперечного сечения 1 м2 при вязкости жидкости н×с/м2 при перепаде давления 1н/м2.

Практической единицей измерения  проницаемости является дарси.1 дарси - проницаемость пористой системы, через которую фильтруется жидкость с вязкостью 1 сантипуаз (сП), полностью насыщающая пустоты среды, со скоростью 1 см3/с при градиенте давления 1 атм (760 мм) и площади пористой среды 1 см2.1 дарси = 0,981 × 10-12 м2.

Различают несколько видов проницаемости.

Абсолютная проницаемость - это  проницаемость горной породы применительно  к однородному флюиду, не вступающему  с ней во взаимодействие, при условии  полного заполнения флюидом пор  среды. Абсолютная проницаемость измеряется в сухой породе при пропускании  через последнюю сухого инертного газа (азота, гелия).

В природе не встречаются породы, не заполненные флюидами (различными газами, жидкими углеводородами, водой  и т.д.). Обычно поровое пространство содержит в различных количествах  воду, газ и нефть (в залежах). Каждый из флюидов оказывает воздействие  на фильтрацию других. Поэтому редко  можно говорить об абсолютной проницаемости  в природных условиях.

Эффективная (фазовая) проницаемость - проницаемость горной породы для  данного жидкого (или газообразного) флюида при наличии в поровом  пространстве газов (или жидкостей). Этот вид проницаемости зависит  не только от морфологии пустотного пространства и его размеров, но и от количественных соотношений между флюидами.

Относительная проницаемость - отношение  эффективной проницаемости к абсолютной. Относительная проницаемость породы для любого флюида возрастает с увеличением ее насыщенности этим флюидом.

Все породы в той или иной мере проницаемы. Все породы по своим  свойствам являются анизотропными, следовательно, и проницаемость  в пласте по разным направлениям будет  различной. В обломочных породах  Кпр по наслоению выше, чем в направлении, перпендикулярном наслоению. В трещиноватых породах по направлению трещин проницаемость может быть очень высокой, а в крест простиранию трещин может практически отсутствовать.

Максимальны значения проницаемости  для трещинных пород. Наиболее распространенное значение Кпр для промышленно продуктивных пластов от 1·10-15 до 1·10-12 м2. Проницаемость более 1·10-12 м2 является очень высокой, характерна для песков, песчаников до глубин 1,5-2 км и трещинных карбонатных пород.

Плотность породы - отношение массы  породы (г) к ее объему (см3). Плотность зависит от плотности твердой, жидкой и газообразной фаз, структурно-текстурных признаков породы, а также от пористости.

Различные литологические типы пород  с глубиной уплотняются по-разному. Кd - коэффициент уплотнения породы, представляющий собой отношение плотности породы (dп) к плотности твердой фазы или минералогической плотности (dт). Коэффициент уплотнения - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз плотность породы меньше плотности ее твердой фазы.. Коэффициент уплотнения связан с величиной полной пористости соотношением Кs = 1-Кп. Глинистые породы достигают Кd = 0,80-0,85 к глубине 1,5-2 км, затем темп уплотнения понижается. Песчаные и алевритовые породы достигают Кd = 0,90-0,95 к глубинам 3,5-5 км. Быстро уплотняются хемогенные известняки, для которых уже на глубине 0,5-1 км Кd = 0,95-0,97.