Взаимосвязь пор и виды пористости

где Кпр — проницаемость; m — пористость; dS — доля пор, заполненных флюидами; Рк — капиллярное давление; Lр – трудноопределимый литологический фактор пористой среды, характеризующий отличие реальной породы от идеальной.

1. Упругие и неупругие деформации горных пород, их роль в формировании физических свойств.

Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность – наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений. Упругость – свойство горных пород сопротивляться изменению их объёма и формы под действием приложенных сил. Абсолютно упругое тело восстанавливает первоначальную форму мгновенно после снятия напряжения. Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает её в течение длительного времени, то оно называется пластичным.

Упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей в пласте влияют на режим перераспределения давления в пласте. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород и жидкостей перераспределяется не мгновенно, а постепенно, после изменения режима работы скважины. Упругие свойства пород и жидкостей создают запас упругой энергии в пласте, которая освобождается при уменьшении давления и служит одним из источников движения нефти по пласту к забоям скважин. При снижении пластового давления, объем жидкости будет увеличиваться, а объем порового пространства будет уменьшаться. Считается, что основные изменения объема пор при уменьшении пластового давления происходят вследствие увеличения сжимающих условий на пласт от веса вышележащих пород. При одинаковой прочности пород интенсивность трещиноватости будет увеличиваться при уменьшении мощности пласта.

1.  Влажность, влагоемкость, свободная и связанная вода – их роль в формировании физических свойств горных пород.

Содержание воды в горных породах определяется их влажностью. Способность же пород в зависимости от их свойств и термобарических условий удерживать то или иное количество влаги называется влагоемкостью. Так как с ростом влажности пород изменяются не только их свойства, но и свойства удержанной воды, причем ступенчато, можно выделить гигроскопическую, максимальную адсорбционную, максимальную гигроскопическую, подвешенную, капиллярную и полную влагоемкости; им соответствуют не только определенные количества, но и характеристики воды, в частности подвижность.

Капиллярная влагоемкость — свойство пород удерживать разный объем V_вк воды связанной и капиллярно-подпертой на определенный объем V_с сухой породы. Капиллярно-подпертой называют воду, находящуюся в капиллярных порах, сообщающихся с уровнем грунтовых вод. Рассматриваемая влагоемкость наблюдается непосредственно над уровнем грунтовых вод. В непосредственной близости к уровню грунтовых вод все поры пород, кроме сверхкапиллярных, заполнены связанной и свободной капиллярно-подпертой водой. По мере удаления от него число капиллярных пор, где находится свободная вода, будет уменьшаться; нацело заполненными водой окажутся все более тонкие поры, где капиллярный подъем воды выше. Так будет продолжаться до подзоны подвешенной влагоемкости. Следовательно, капиллярная влагоемкость — величина переменная.

Высота капиллярной подзоны у крупно- и среднезернистых песчаных пород достигает 0,3—0,6 м; у менее отсортированных их разностей с преобладанием алевритовой фракции 1 м и у сильно глинистых пород до 2—3 м.

Подвешенная влагоемкость — свойство пород удерживать различный объем связанной V_{в. св} или капиллярно-подвешенной V_{в. под} воды на определенный объем V_c сухой породы. Породы среднезернистые с диаметром частиц от 0,01—0,05 до 1 мм (например, пески и песчаники) при уменьшающемся диаметре капилляров временами содержат, кроме связанной капиллярно, подвешенную воду, удерживаемую разностью менисковых давлений. Эта вода не сообщается с уровнем грунтовых и капиллярно-подпертых вод; она полностью насыщает поры на некотором расстоянии от верхнего уровня капиллярной зоны. Однако при известных условиях капиллярно-подвешенная вода стекает вниз, тогда и в таких породах находится только связанная вода.

У тонкозернистых пород просвет пор настолько мал, что они оказываются заполненными лишь сорбционно-связанной (в этом случае являющейся также и подвешенной) водой.

Подвешенная влагоемкость обнаруживается в толщах обломочных пород на меньшей глубине, чем капиллярная, где процесс испарения влаги интенсивнее процесса ее капиллярного подъема и в порах этих толщ меньше воды и больше воздуха, чем в подзоне капиллярной влагоемкости.

В подзоне максимальной гигроскопической влагоемкости тех же отложений, следующей за подзоной подвешенной влагоемкости, еще меньше воды и больше влажного воздуха, вода находится совсем близко от земной поверхности, и процессы ее испарения в атмосферу здесь еще интенсивнее.

Максимальная гигроскопическая влагоемкость наблюдается при относительной влажности воздуха в порах пород не ниже 94%. При этом около твердой фазы удерживается максимальный объем V_{в. прсв} прочносвязанной воды и объем V_{в. угл.} пор воды углов пор (стыковая вода), т. е. V_в.мг= V_в.прсв+V_{в.угл.пор}.

Таким образом, максимальная гигроскопическая влагоемкость — это свойство пород поглощать из воздуха при его относительной влажности >94% и удерживать различный объем V_{в. мг} прочносвязанной и стыковой воды на определенный объем V_с сухой породы.

Гигроскопическая влагоемкость наблюдается в дневное время у иссушенных солнцем пород верхней части зон аэрации пустынь и полупустынь; при этом содержание воды в порах может быть даже меньше, чем необходимо для создания максимального количества прочносвязанной воды, образующегося при относительной влажности воздуха около 55% и соответствующего максимальной адсорбционной влагоемкости пород.

Отсюда следует, что максимальная адсорбционная влагоемкость представляет собой свойство пород поглощать и удерживать разный объем V_{в. прсв} (или массу m_{в. прсв}) воды прочносвязанной на определенный объем V_c (или массу m_с) сухой породы.

СВОБОДНАЯ ВОДА - подземная вода, содержащаяся в горных породах и находящаяся под влиянием капиллярных и гравитационных сил.

Капиллярная вода заполняет капиллярные поры, а при уменьшении влажности — только углы пор в горных породах. Капиллярная свободная вода, связанная с уровнем грунтовых вод, называется капиллярно-поднятой, в отрыве от него — капиллярно-подвешенной водой. Оба вида капиллярной свободной воды передают гидростатическое давление и перемещаются под действием сил поверхностного натяжения.

СВЯЗАННАЯ ВОДА - часть подземных вод, физически или химически удерживаемая твёрдым веществом горной породы. Связанная вода в отличие от свободной воды (гравитационной) неподвижна или слабо подвижна. Она подразделяется на воду в твёрдом веществе породы и воду в порах. К связанной воде в твёрдом веществе относится вода, входящая в структуру твёрдого вещества: кристаллизационная, конституционная, цеолитная. Связанная вода в порах (прочносвязанная и рыхлосвязанная), содержащаяся вместе со свободной водой в порах породы, обволакивает твёрдые частицы (зёрна) породы. Прочносвязанная вода на поверхности горных пород образует два слоя: один сравнительно тонкий слой (толщиной в несколько молекул), прилегающий непосредственно к поверхности частицы, и второй (значительно больший по толщине) — слой рыхлосвязанной воды. Удерживаются эти два вида связанной воды за счёт электростатических сил, возникающих между твёрдой поверхностью частиц и молекулами воды.

1.  Двойной электрический слой – его роль в формировании физических свойств горных пород.

При полной и других видах влагоемкости на границах фаз породы протекают электрохимические реакции, и по обе их стороны создается двойной электрический слой (ДЭС) — особое распределение электрических зарядов в приграничных областях соприкасающихся фаз пород. При наличии ДЭС каждая фаза имеет объемный заряд и между ними есть разность электрических потенциалов. ДЭС возникает между твердой и жидкой фазой благодаря тому что поверхность твердой фазы имеет обычно отрицательный электрический заряд. Двойной слой на границе фаз состоит из внутренней и внешней обкладки. Внутренняя отрицательная, образованна в основном анионами кристаллической решетки минералов, толщина – размер этих анионов.

Внешняя состоит из катионов, образующих отрицательный заряд поверхности твердой фазы.

Виды ДЭС:

-ионный

-адсорбционный

-ориентированный

Ионный вид слоя создается за счет остаточных электрических сил на поверхности твердого компонента пород при разных химических потенциалах одинаковых ионов в различных фазах породы. Он состоит из слоя дегидратированных, потенциалопределяющих ионов в твердой фазе и слоя гидратированных противоионов в жидкой. Потенциалопределяющие и противоионы имеют разный знак, поэтому отдельные фазы заряжены, а в целом порода нейтральна. Потенциалопределяющие ионы расположены диффузно у самой границы раздела фаз с плотностью, убывающей в глубь твердой фазы. Они сообщают последней определенный (положительный или отрицательный) потенциал (знак заряда) поэтому и называются потенциалопределяю-щими. Знак и объем заряда твердой фазы зависят от химического состава контактирующих фаз, развитости и состояния поверхности их раздела.

Двойной электрический слой адсорбционного вида возникает в результате избирательной адсорбции ионов индифферентного электролита на незаряженной поверхности твердой фазы. Индифферентный электролит не имеет общих с твердой фазой ионов. Адсорбируется тот его ион, который имеет большую валентность и меньший гидратный радиус; он ближе подходит к адсорбенту и прочнее удерживается здесь ван-дер-ваальсовыми силами. Последние возникают на поверхности твердой фазы под действием адсорбирующегося иона. Приближаясь к адсорбенту, он поляризует его поверхностные атомы, при этом деформируются их электронные оболочки и атомы превращаются в мгновенные диполи, способные удерживать адсорбирующиеся ионы. Ионы индифферентного электролита поляризуют атомы твердой фазы тем сильнее, чем больше их электрическое поле. В частности, катионы деформируют поверхностные атомы адсорбента тем больше, чем выше их заряд и меньше гидратный радиус. Деформируемость увеличивается с возрастанием размеров атомов и ионов. Анионы больше по размеру, чем катионы, поэтому поляризация их значительнее.

!!Структура ДЭС адсорбционного вида не отличается от ионного ДЭС, но адсорбированные и противоионы этого слоя находятся в электролите.

Ориентационный вид ДЭС формируется из дипольных молекул воды. Часть из них ориентируется и удерживается в поровом пространстве около положительных и отрицательных нескомпенсированных или ван-дер-ваальсовых зарядов на поверхности твердой фазы пород, образуя слой прочносвязанной воды. Поле этого слоя и остаточные электростатические силы ориентируют дополнительные количества воды, которые создают рыхлосвязанный ее слой. К рыхлосвязанной воде относят также воду, ориентированную у ионов диффузной части ДЭС. Эти оба слоя образуют двойной электрический слой ориентационного вида — связанную воду.

11. Петрофизические модели остаточной водонасыщенности, эффективной и динамической пористости.

Рассмотрим гранулярный коллектор , состоящий из скелета и емкостного пространства, заполненного водой и углеводородами , и глинистой пилитовой фракцией. Емкостное пространство полностью водонасыщенного коллектора содержит свободную воду, капиллярно-удержанную и углов пор, физически связанную воду. Свободная вода может быть вытеснена и замещена углеводородом или газом. Вода капиллярно-удержанная сохраняется в субкапиллярах и углах пор благодаря действию капиллярных сил. Физически связанная вода образована полислоями молекул воды и водой гидратированных катионов.Вода капиллярно-удержанную и углов пор ,и физически связанная составляют остаточную воду ,содержание которой в объеме пор характеризуется коэффициентом остаточной водонасыщенности Кво .

   К_п.эф=К_п(1-К_во)=К_п*К_нг

К_п- открытая пор., К_во -остаточная водонасыщ., К_нг- предельное значение коэф. нефтегазонасыщения.

При наличии незначительного кол-ва пелитового материала наблюдается тесная связь глинистостью и содержанием связанной воды.

   Η=Кгл/(Кгл+Кп)=Кгл/М,где М-пористость матрицы

Если Кв>Кво.(неполное вытеснение углеводородами воды) Ко.ф=Кв.о+Кн.о(остаточные флюидо-,водо-,нефтенасыщенности)

Кп.дин=Кп(1-Коф) Также Кво=1-(М-μо)(1-μ/Кп)/(М-μ), если М>Kп>μ

М- пористость матрицы, μо – доля несжимаемого объема воды, μ-полная водоудерживающая способность коллектора.Особым свойством некоторых глинистых минералов, входящих в состав цемента, является набухаемость, приводящее к заметному ухудшению ФЭС.

Кп.эф=(М-μо)(Кп-μ)/(М-μ)=В(Кп-μ) ,где В-коэф. набухания.

Эффективная пористость – максимальный объем Vпор эфф пор водоносных, нефти или газоносных пластов коллекторов, в котором находиться связанная вода (определяется геологическими запасами пласта).

V_пор.эф = V_пор.о - V_в.прсв - (1/n)V_в.рcв=V_пор.о - V_во

где n=1 для водонасыщенных пластов и больше 1 для нефте- и газоносных; V_во — объем остаточной воды.

Эта пористость определяет геологические запасы углеводородов. В этом случае предполагается, что нефть или газ, скапливаясь в коллекторе, могут вытеснить 1/n долю рыхлосвязан-ной воды.

Объем V_во для водонасыщенных коллекторов можно, например, оценить по кривым капиллярного давления (рис. 19), полученным по методу вытеснения из образца породы смачивающей ее воды:

V_во=k_воV_пор.о

где k_во = V_во/V_пор.о — коэффициент насыщения породы остаточной водой, V_во которой практически не снижается в условиях опыта (см. рис. 19); V_пор.о = V_ck_п.о и оценивается по значениям объема V_с сухой породы и коэффициента k_п.о открытой пористости (обе эти величины определяются из отдельного опыта). Объем остаточной воды можно получить и методом центрифугирования. Доля рыхлосвязанной воды, вытесняемой из коллекторов при образовании предельно насыщенных нефтяных или газовых залежей, определяется свойствами нефти, газа, природных вод и структурой коллектора.

Динамическая – объем пор Vпор которое занимает в поровом пространстве коллекторов или образцов пород фильтрации под давлением (определяется извлекаемыми запасами).

12.  Смачиваемость поверхности твердой фазы. Гидрофильные и гидрофобные поверхности. Влияние на физические свойства горных пород.

Гидрофильные поверхности - поверхности полностью (хорошо) смачиваемые водой. Пленка воды равномерно покрывает поверхность, все активные центры поверхности заняты молекулами воды или гидратированными катионами. Реальные коллекторы нефти и газа в пластовых условиях нередко бывают частично гидрофобными. Это значит, что часть поверхности пор водой не смачивается; в пределах этих «островов» отсутствует пленка воды, а нефть или газ непосредственно граничат с поверхностью твердой фазы.

Причины частичной или полной гидрофобности поверхности могут быть различными: специфические свойства вещества твердой фазы, состав и физические свойства пластовой воды, нефти и газа. Преимущественно гидрофобны твердые битумы и ископаемые угли. Глины и агрегаты глинистых минералов в породах-коллекторах {глинистый цемент}, как правило, гидрофильны. Зерна кварца и полевых шпатов в песчаниках и алевролитах, кальцита и доломита в карбонатных коллекторах имеют различную избирательную смачиваемость в зависимости от свойств пластовых флюидов.

13. Естественная радиоактивность горных пород: причины, единицы измерения, расчет петрофизических параметров.

Радиоактивность — свойство веществ создавать радиоактивное излучение в связи с самопроизвольной перестройкой ядер их радиоактивных элементов. При этом выделяется энергия и возникают более устойчивые или новые радиоактивные элементы. Ядра последних снова распадаются, и так продолжается до возникновения устойчивого изотопа.

В целом радиоактивность горных пород зависит от содержания в ней трех элементов:

урана-238, тория-232 и калия-40.

Радиоактивный распад протекает со следующими скоростями, установленными экспериментально. За время Т_1/2, называемое периодом полураспада, распадается 50% от числа радиоактивных атомов вещества. Это приводит к уменьшению интенсивности радиоактивного излучения на 50%. Закон распада:

14.  Нефте- и газонасыщенность горных пород – их роль в формировании физических свойств горных пород.

На практике определения коэффициентов нефте- и газонасыщенности применяют электро- и радиометрию ГИС по данным которых находят К_во (К_в) и затем К_г и К_н

В общем случае нефтегазоводонасыщенных пород сумма объемов нефти V_н, газа V_г и воды V_в равна объему порового пространства пород V_nоp:

V_н+V_г+V_в=V_пор

и, следовательно,

(V_н/V_пор) + (V_r/V_nop) + (V_в/V_noр) = 1

Отношения V_н/V_пор, V_г/V_nop и V_в/V_nop (при атмосферном давлении), выраженные в долях единицы или в процентах, обозначаются соответственно k_n, k_r, k_в и называются коэффициентами нефте-, газо-и водо-насыщения, которые используют для оценки степени насыщения порового пространства пород.

Для нефтенасыщенных пород V_н+V_в = V_пор, следовательно,

(V_н/V_nop) + (V_в/V_nop) = k_н+k_в = 1,

у газонасыщенных пород V_r+V_в=V_nop

(V_r/V_nop) + (V_в/V_nop) = k_r+k_в= 1.

Нефтеводогазонасыщенным породам отвечают следующие соотношения:

k_н=1-(k_г+k_в), k_r=1-(k_н+k_в).

В природе нефтенасыщение пород достигает 95% и более (гидрофобные коллекторы). Однако встречаются коллекторы с нефтенасыщением 50—60%, отдающие чистую нефть. Они представлены мелкозернистыми и глинистыми разностями кварцевых и полевошпатовых песчано-алевритово-глинистых пород (алевролитами крупно- и мелкозернистыми), связывающими много воды. Значения k_н зависят от минерального состава и гидрофильности (гидрофобности) коллекторов. Коэффициент k_н возрастает с увеличением среднего радиуса r_эф.к.ср поровых каналов терригенных коллекторов (рис. 33).