Физические свойства ГП, коллекторов, нефти, газа и воды

Лекция 1

Физические  свойства ГП, коллекторов, нефти, газа и воды.

      Коллектором называется горная порода (пласт, массив), обладающая способностью к аккумуляции и фильтрации воды, нефти и газа. Под горной породой понимается естественный твердый минеральный агрегат определенного состава и строения, образующий в земной коре тела различной формы и размера. По происхождению (генезису) горные породы подразделяются на осадочные (пески, песчаники, доломиты, алевролиты, известняки, мергели), изверженные (магматические) и метаморфические.

      Осадочные породы возникают в результате преобразования в термических условиях поверхностной части земной коры осадков, представляющих собой выпавшие механическим или химическим путем продукты разрушения более древних пород, изверженных вулканов, жизнедеятельности организмов и растений.

      Статистика  опыта разработки месторождений  показывает, что около 60 % запасов  нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 39 % – к карбонатным отложениям, 1 % – к выветренным метаморфическим и изверженным породам. Следовательно, основные коллекторы нефти и газа – породы осадочного происхождения.

     Тип коллектора определяется природой, структурой и геометрией порового пространства. Подавляющая часть нефтяных и газовых месторождений приурочена к коллекторам трёх типов – гранулярным (обломочный, хемегенный), трещинным и смешанного строения.

     К первому типу относятся коллекторы, сложенные песчано-алевритовыми породами, состоящие из песчаников, песка, алевролитов, реже известняков, доломитов, мергелей, поровое пространство которых состоит в основном из межзерновых полостей.

     В чисто трещиноватых коллекторах, сложенных преимущественно карбонатами, поровое пространство образуется системой трещин. При этом участки коллектора между трещинами представляют собой плотные малопроницаемые нетрещиноватые блоки пород, поровое пространство которых практически не участвует в процессах фильтрации. Трещиноватый тип коллектора известен на месторождениях Западного Приуралья, Северного Кавказа, Западной Венесуэлы, США.

     На  практике, однако, чаще всего встречаются  трещиноватые коллекторы смешанного типа, поровое пространство которых включает как системы трещин, так и поровое пространство межзерновых полостей, а также каверны и карст. Такой тип коллектора отмечен на участках ряда месторождений Западной Сибири (Талинское месторождение и другие).

Гранулометрический состав

     Гранулометрическим (механическим) составом горных пород называют количественное (массовое) содержание в породах частиц различной величины. Гранулометрический состав характеризует степень дисперсности минеральных частиц, слагающих горную породу. От степени дисперсности минералов зависят многие другие коллекторские свойства пористой среды: пористость, проницаемость, удельная поверхность, остаточная водонасыщенность, нефтенасыщенность, силы, капиллярно удерживающие флюиды  в пласте и другие.

     Размер  частиц горных пород изменяется от коллоидных (10^–3-10^–5 см) до галечника и валунов. Гранулометрический состав нефтесодержащих пород в основном представлен частицами размером от 1 до 0,01 мм в диаметре. По размерам зерен классифицируют структуры обломочных пород на следующие:

  - псефитовую, с размером зерен  более 2 мм;

  - псаммитовую, с преимущественным  размером частиц от 2 до 0,1 мм;

  - алевритовую, включающую частицы  размером 0,1-0,01 мм;

  - пелитовую, с размером зерен  менее 0,01 мм.  
 

  Для определения  гранулометрического состава горных пород существует несколько методов.

Методы:

А) измерение  шлифов под микроскопом – сильносцементированные породы (прочность цемента сравнима с прочностью зерен) выбуривается керн из ГП рис. шлифа

         

В) разделение на фракции – пески и слабосцементированные  песчаники (прочность цемента меньше прочности зерен, при дроблении  размеры зерен не уменьшаются)

     – ситовые (d>0,05 мм) ситовый анализ применяется преимущественно для характеристики состава псефитов и псаммитов (породу последовательно просеивают через сита с уменьшающим диаметром отверстий) рис. уст.

           » сита: 10; 7,5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм (СССР)

           » 50г породы – 15 минут  встряски

     – седиментационные (d<0,05 мм) седиментация –осаждение (всплывание) дисперсной массы в дисперсной среде в результате гравитации из-за разности полотностей. Седиментационный анализ используют для алевритов и пелитов. 

Необходимость: - по ГС можно определить геологические и палеографические условия (генезис) отложения

- проницаемость,  пористость, Sудельная, капиллярность;

- Vостаточной нефти » пленочной Sуд

     » капиллярной

- размеры фильтров  на забое 

Теория  седиментации(установлена Стоксом) 

где η- динамическая вязкостьжидкости, г/см²с 

Выводы:  1) скорость осаждения частиц зависит от размера  частиц, от плотностей жидкости и твердого тела

        2) метод осаждения можно использовать  для разделения частиц больших  размеров, осаждается быстрее. 
 

Весы  Фигурновского       Метод отмучивания (Сабатин)

Суспензия (взвесь ГП в ж-ти ~1 % массовая концентрация  v=Q/S>v_седим

для обеспечения  независимого падения)

Представление результатов гранулометр. анализа и использование  их в практике разработки

     По  построенной интегральной кривой определяют две важные величины: коэффициент однородности (неоднородности) и так называемый действующий диаметр или эффективный размер зерен (d_Эф).

Пористость

        Под пористостью горной породы понимают наличие в ней пор (пустот). Пористость характеризует способность горной породы вмещать жидкости и газы. Это ёмкостной параметр горной породы. В зависимости от происхождения различают следующие виды пор:

1. Поры между зёрнами обломочного материала (межкристаллические поры), промежутки между плоскостями наслоения – это первичные поры, образовавшиеся одновременно с формированием породы.
2. Поры растворения, образовавшиеся в результате циркуляции подземных вод. За счёт процессов растворения минеральной составляющей породы активными флюидами, циркуляционными водами образуются поры (например, поры выщелачивания), вплоть до образования карста.
3. Поры и трещины, возникшие под влиянием химических процессов, приводящие к сокращению объёма породы. Например, превращение известняка (СаСО₃) в доломит (СаСО₃· МgСО₃). При доломитизации идёт сокращение объёмов породы приблизительно на 12 %, что приводит к увеличению объёма пор. Аналогично протекает и процесс каолинизации – образование каолинита (Al₂O₃·2·SiO₂·H₂O).
4. Пустоты и трещины, образованные за счёт эрозионных процессов, выветривания, кристаллизации, перекристаллизации.
5. Пустоты и трещины, образованные за счёт тектонических процессов, напряжений в земной коре.

      Виды  пор (2-5) – это, так называемые, вторичные поры, возникающие при геолого-минералогических или химических процессах.

Виды  пористости

      Различают пористость породы следующих видов: общую, открытую, эффективную (динамическую).

      Общая (абсолютная, физическая, полная) пористость характеризует суммарный объём всех пор (V_пор), открытых и закрытых, независимо.

      Пористость  открытая эквивалентна объёму сообщающихся (V_сообщ.) между собой пор и она измеряется в м³, см³.

      На  практике величину пористости породы характеризуют коэффициентом пористости (m), выраженным в долях единицы или в процентах к объёму образца.

      Коэффициент общей (полной, абсолютной) пористости (m_п) зависит от объёма всех пор (V_пор):

.                (1.1)

        Коэффициент открытой пористости (m_о) зависит от объёма сообщающихся между собой пор (V_сообщ. _пор):

.                 (1.2)

      Коэффициент эффективной (динамической) пористости (m_эф) характеризует фильтрацию в породе жидкости или газа, и зависит от объёма пор, через которые идёт фильтрация (V_{пор фильтр.}):

                (1.3)

m_дин=m_пол(α_к-α_н)

Методы  определения пористости. 

     Пористость  – относительный объем пор  в единице ГП.

 

Методы:

• прямые (слабосцементированные)
1. м/д дробления и непосредственного измерения объема зерен
2. м/д насыщения и взвешивания Преображенского
• косвенные (сильносцементированные) шлифы

 

2. Экстрагированный  керн – очищенный от нефти, пластовой  воды и газа, взвешивают P_сух. Помещают под вакуум, насыщают жидкостью и взвещиваем в жидкости P_{нас/жид}. После взвешивают на воздухе P_{нас/воз}.

     Поровые каналы нефтяных пластов условно подразделяются на три группы:

- субкапиллярные  – размер пор < 0,0002 мм (2000 молекул воды), практически непроницаемые глины, глинистые сланцы, эвапориты (соль, гипс, ангидрит и др.);

- капиллярные  (каналы и трещины) – размер пор от 0,0002 до 0,5 мм;

- сверхкапиллярные (каналы и трещины) – размер пор > 0,5 мм.

     Не  все виды пор заполняются флюидами: водой, нефтью, газом, часть пор бывает изолирована, в основном, это внутренние поры.

     В субкапиллярных порах пластовые  флюиды удерживаются капиллярными силами, силами притяжения стенок каналов. Вследствие малого расстояния между стенками каналов жидкость в них находится в сфере действия межмолекулярных сил материала породы. Для перемещения жидкости по субкапиллярным порам требуется чрезмерно высокий перепад давления, отсутствующий в пластовых условиях. Практически никакого движения пластовых флюидов  по субкапиллярным порам не происходит. Породы, содержащие только субкапиллярные поры, практически непроницаемы для жидкостей и газов и выполняют функции покрышек.

       По капиллярным порам (каналам)  и трещинам движение нефти,  воды, газа происходит при значительном  участии капиллярных сил, как между частицами флюидов, так и между последними и стенками пор. Для перемещения пластовых флюидов по капиллярным порам требуются усилия, значительно превышающие силу тяжести.

     По  сверхкапиллярным порам (каналам) и  трещинам движение флюидов происходит свободно под действием сил тяжести.

Определение пористости

1. Коэффициент общей (полной, абсолютной) пористости (m_п) – дробление, шлифы
2. Коэффициент открытой пористости (m_о) Преображенский
3. Коэффициент эффективной (динамической) пористости (m_эф) прокачка, до полного вымывания нефти

КАРБОНАТНОСТЬ ПОРОДЫ

            Под карбонатностью породы понимается содержание в ней солей угольной кислоты: известняка – СаСО₃, доломита – СаСО₃· МgСО₃, соды – Na₂СО₃,  поташа – K₂СО₃,  сидерита – FeСО₃ и др. Общее количество карбонатов относят обычно к СаСО₃, потому, что углекислый кальций науболее распространен в породах и составляет основную часть перечисленных карбонатов. Карбонатность пород продуктивных пластов определяют в лабораторных условиях по керновому материалу газометрическим методом  (см. раздел лаборат. практикума). Метод основан на химическом разложении солей угольной кислоты действием соляной кислоты и измерением объема углекислого газа, образовавшегося в результате реакции: