ЕМКОСТНО – ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ

2.1.Емкостные свойства пород-коллекторов

Породы коллекторы и неколлекторы. Одна из важнейших задач нефтегазопромысловой геологии — изу­чение внутреннего строения залежи нефти или газа. Суть ее сводится к выделению в объеме залежи геологических тел, сложенных породами-коллекторами, а затем к выделению в объеме, занятом породами-коллекторами, геологических тел, различающихся значениями основных геолого-промысловых параметров — пористости, проницаемости, продуктивности и т.п. Другими словами, в статическом геологическом прост­ранстве необходимо выделить некоторую систему на основе списка свойств, соответствующего цели исследования, и вы­явить структуру этой системы.

Коллектором называется горная порода, обладающая та­кими геолого-физическими свойствами, которые обеспечи­вают физическую подвижность нефти или газа в ее пустот­ном пространстве. Порода-коллектор может быть насыщена как нефтью или газом, так и водой.

Породы с такими геолого-физическими свойствами, при которых движение нефти или газа в них физически невоз­можно, называются неколлекторами.

Внутреннее строение залежи, изучаемое нефтегазопро­мысловой геологией, определяется различным размещением неколлекторов и коллекторов, а также коллекторов с раз­ными геолого-физическими свойствами как в разрезе, так и по площади залежи.

Соответственно емкостные свойства породы определяются ее пустотностью, которая слагается из объема пор, трещин и каверн.

Vпуст.=Vпор.+Vтрещ.+Vкаверн.

По времени образования выделяются первичные пустоты и вторичные. Первичные пустоты формируются в процессе седиментогенеза и диагенеза, то есть одновременно с образованием самой осадочной породы, а вторичные образуются в уже сформировавшихся породах.

Первичная пустотность присуща всем без исключения осадочным породам, в которых встречаются скопления нефти и газа – это прежде всего межзерновые поры, пространства между крупными остатками раковин и т.п. К вторичным пустотам относятся поры каверны и трещины, образовавшиеся в процессе доломитизации известняков и выщелачивания породы циркулирующими водами, а также трещины возникшие в результате тектонических движений. Отмечается заметное изменение пористости в зонах водонефтяных контактов.

 

Пористость и строение порового пространства

 

Выделяют полную, которую часто называют общей или абсолютной, открытую, эффективную и динамическую пористость.

Полная пористость включает в себя все поры горной породы, как изолированные (замкнутые), так и открытые, сообщающиеся друг с другом. Коэффициентом полной пористости называется отношение суммарного объема пор в образце породы к видимому его объему:

 

Открытая пористость образуется сообщающимися порами.Коэффициентом открытой пористости называется отношение объема открытых, сообщающихся пор к видимому объему образца:

 

Эффективная пористость учитывает часть объема связанных между собой пор насыщенных нефтью.

Динамическая пористость учитывает тот объем нефти, который будет перемещаться в процессе разработки залежи. Наиболее однозначно и с достаточно высокой точностью определяется объем связанных между собой пор, поэтому в практике обычно используется открытая пористость.

Количественно пористость породы характеризуется коэффициентом пористости, который измеряется в долях или процентах от объема породы.

Пористость породы в большой степени зависит от размеров пор и соединяющих их поровых каналов, которые в свою очередь определяются гранулометрическим составом слагающих породу частиц и степенью их сцементированности.

По величине поры нефтяных и газовых коллекторов условно разделяются на три группы: 1) сверхкапиллярные – диаметром 2-0, 5 мм; 2) капиллярные – 0, 5-0, 0002 мм; 3) субкапиллярные – менее 0, 0002 мм.

По крупным (сверхкапиллярным) порам и каналам движе­ние нефти, воды и газа происходит свободно, а по капил­лярным - при значительном участии капиллярных сил. В субкапиллярных каналах в природных условиях жидкости практически перемещаться не могут. Породы, пустоты в ко­торых представлены в основном субкапиллярными порами и каналами, независимо от значения коэффициента пористости практически непроницаемы для жидкостей и газов, т.е. отно­сятся к неколлекторам (глины, глинистые сланцы, плотные известняки и др.).

Коэффициентом полной пористости k_n называется отно­шение суммарного объема всех пор V_nop в образце породы к видимому его объему V_o6p:

k_n = V_nop /V_обр. = (V_обр. – V_зер.)/ V_обр.^/,

где V_зер - суммарный объем зерен.

При решении задач нефтегазопромысловой геологии ис­пользуется коэффициент открытой пористости k_п.о, который определяется как по образцам в лаборатории, так и по дан­ным геофизических исследований скважин.

Открытая пористость коллекторов нефти и газа изменяет­ся в широких пределах - от нескольких процентов до 35 % По большинству залежей она составляет в среднем 12 -25 %.

Поскольку коллекторские свойства породы зависят не только от объема пустот, но и от распределения их по величине диаметра, то важной характеристикой является структура порового пространства. Для его определения используются метод ртутной порометрии, метод полупроницаемой мембраны и метод капиллярной пропитки.

 

В гранулярных коллекторах большое влияние на пористость оказывает взаимное расположение зерен. Несложные расчеты показывают, что в случае наименее плотной кубической укладки зерен коэффициент пористости будет составлять » 47.6%. Данное число можно считать теоретически возможным максимумом пористости для терригенных пород. При более плотной укладке идеального грунта пористость будет составлять всего 25.9%.

 

Кавернозность.

Кавернозность горных пород обусловливается существо­ванием в них вторичных пустот в виде каверн. Каверноз­ность свойственна карбонатным коллекторам. Следует раз­личать породы микрокавернозные и макрокавернозные. К первым относятся породы с большим количеством мелких пустот, с диаметром каверн (пор выщелачивания) до 2 мм, ко вторым - с рассеянными в породе более крупными кавер­нами - вплоть до нескольких сантиметров.

Микрокавернозные карбонатные коллекторы на практике нередко отождествляют с терригенными поровыми, посколь­ку и в тех, и в других открытая емкость образована мелкими сообщающимися пустотами. Но и по происхождению, и по свойствам между ними имеются существенные различия.

Средняя пустотность микрокавернозных пород обычно не превышает 13-15%, но может быть и больше.

Макрокавернозные коллекторы в чистом виде встречают­ся редко, их пустотность достигает не более 1-2%. При больших толщинах продуктивных карбонатных отложений и при такой емкости коллектора запасы залежей могут быть весьма значительными.

Коэффициент кавернозности К_к равен отношению объема каверн V_K к видимому объему образца V_обр.

К_к = K/V_o6p.

Если порода целиком кавернозна, то

К_к = (V_обр. - _Vмин/V_обр.^/,

где V_мин - объем минеральной части породы.

 

Трещиноватость.

Трещиноватость горных пород (трещинная емкость) обусловливается наличием в них трещин, не заполненных твер­дым веществом. Залежи, связанные с трещиноватыми кол­лекторами, приурочены большей частью к плотным карбо­натным коллекторам, а в некоторых районах (Восточные Карпаты, Иркутский район и др.) - и к терригенным отло­жениям. Наличие разветвленной сети трещин, пронизываю­щих эти плотные коллекторы, обеспечивает значительные притоки нефти к скважинам.

Качество трещиноватой горной породы как коллектора определяется густотой и раскрытостью трещин.

Интенсивность трещиноватости горной породы характе­ризуется объемной Т и поверхностной П плотностью тре­щин: Т = S/V; П = 1/F,

где S - суммарная площадь про­дольного сечения всех трещин, секущих объем V породы; 1 - суммарная длина следов всех трещин, пересекаемых по­верхностью площадью F.

Еще одной характеристикой трещиноватости служит густота трещин: Г= ∆ n/∆ L, (7) где ∆ n - число трещин, пересекающих линию длиной ∆ L, перпендикулярную к направлению их простирания. Размер­ность густоты трещин - 1/м.

По величине раскрытости трещин в нефтегазопромысловой геологии выделяют макротрещины шириной более 40-50 мкм и микротрещины шириной до 40-50 мкм

Макротрещиноватость в основном свойственна карбонат­ным коллекторам

Наличие макротрещиноватости обеспечивает включение в процесс дренирования и каверн в кавернозном коллекторе.

Таким образом, чаще всего трещины играют роль каналов фильтрации жидкости и газа, связывающих воедино все сложные пустотное пространство пород-коллекторов.

При одновременном участии в дренировании двух или всех трех видов пустот (пор, каверн, трещин) коллектор от­носят к типу смешанных.

Из числа коллекторов с одним из видов пустотности наиболее широко распространены поровые терригенные кол­лекторы - на многочисленных месторождениях земного шара, в том числе и в России (Волго-Урал, Западная Сибирь, Северный Кавказ и др. районы).

Трещинные коллекторы в чистом виде встречаются весьма редко.

Из кавернозных пород в чистом виде распространены микрокавернозные (Волго-Урал, Тимано-Печорская провин­ция и др ). Макрокавернозные встречаются редко.

 

 

2.2. Фильтрационные свойства пород-коллекторов. Проницаемость

 

Важнейшим свойством пород-коллекторов яв­ляется их способность к фильтрации, т.е к движению в них жидкостей и газов при наличии перепада давления. Способ­ность пород-коллекторов пропускать через себя жидкости и газы называется проницаемостью.

Породы, не обладающие проницаемостью, относятся к неколлекторам.

В процессе разработки залежей в пустотном пространстве пород-коллекторов может происходить движение только нефти, газа или воды, т.е. однофазовая фильтрация. При дру­гих обстоятельствах может происходить двух- или трехфазо­вая фильтрация - совместное перемещение нефти и газа, нефти и воды, газа и воды или смеси нефти, газа и воды.

Хорошо проницаемыми породами являются: песок, песчаники, доломиты, доломитизированные известняки, алевролиты, а так же глины, имеющие массивную пакетную упаковку.

К плохо проницаемым относятся: глины, с упорядоченной пакетной упаковкой, глинистые сланцы, мергели, песчаники, с обильной глинистой цементацией.

Проницаемость горных пород в случае линейной фильтрации определяется по закону Дарси. Согласно которому объемный расход жидкости проходящий сквозь породу при ламинарном движении прямо пропорционально коэффициенту проницаемости, площади поперечного сечения этой породы, перепаду давления, и обратно пропорционально вязкости жидкости и длине пройденного пути

где Q-объемный расход жидкости в м³/с; k_пр – коэффициент проницаемости в м²; F - площадь поперечного сечения в м²; m - вязкость флюида в Па× с; L - длина пути в см; (P₁-P₂) - перепад давления в Па;

Единица коэффициента проницаемости называемая дарси, отвечает проницаемости такой горной породы, через поперечное сечение которой, равное 1см², при перепаде давления в 1ат на протяжении 1 см в 1 сек проходит 1 см³ жидкости, вязкость которой 1 сп.

Проницаемость пород, служащих коллекторами для нефти, обычно выражают в миллидарсиили мкм²× 10^-3.

Физический смысл размерности k_пр (площадь) заключается в том, что проницаемость характеризует площадь сечения каналов пустотного пространства, по которым происходит фильтрация.

В разных условиях фильтрации проницаемость породы-коллектора для каждой фазы будет существенно иной. По­этому для характеристики проницаемости нефтегазосодер-жащих пород введены понятия абсолютной, эффективной (фазовой) и относительной проницаемостей.

Под абсолютной проницаемостьюпонимается проницае­мость, определенная при условии, что порода насыщена однофазным флюидом, химически инертным по отношению к ней. Для ее оценки обычно используются воздух, газ или инертная жидкость, так как физико-химические свойства пластовых жидкостей оказывают влияние на проницаемость породы. Величина абсолютной проницаемости выражается коэффициентом проницаемости k_пр.

Значение k_прв лабораторных условиях обычно определяют
по керну на основе линейного закона фильтрации Дарси:

v = (k_пр∆ р)μ ∆ L,

где v - скорость фильтрации; μ - вязкость газа (жидкости); ∆ р - перепад давления; ∆ L - длина образца. В этом урав­нении коэффициент пропорциональности k_np представляет собой коэффициент абсолютной проницаемости.

Абсолютная проницаемость зависит только от физических свойств породы.

Эффективной (фазовая)называется проницаемость k_пр._эф. пород для дан­ных жидкости или газа при движении в пустотном простран­стве многофазных систем. Значение ее зависит не только от физических свойств пород, но и от степени насыщенности пустотного пространства каждой из фаз, от их соотношения между собой и от их физико-химических свойств.

Относительной проницаемостью называется отношение эффективной проницаемости к абсолютной проницаемости.

Наибольшей, приближающейся по значению к абсолютной проницаемость пород бывает в тех случаях, когда по порам движется чистая нефть. В тех случаях, когда по порам движутся и нефть, и газ в отдельности (две фазы), эффективная проницаемость для нефти, или, как ее еще называют, фазовая проницаемость, начинает уменьшаться. Когда же по порам породы движутся три фазы - нефть, газ, вода, - эффективная (фазовая) проницаемость для нефти еще более уменьшается.

Например, если содержание воды составляет 80%, фазовая проницаемость для керосина снижается до нуля, т. е. через пористую породу движется только чистая вода.

Проницаемость горных пород зависит от следующих основных причин:

1) от размера поперечного сечения пор (трубок). Последний же зависит от размеров зерен, плотности их укладки, отсортированности и степени цементации. Следовательно, проницаемость горных пород также обусловлена этими четырьмя факторами.

Однако в отличие от пористости, которая при прочих равных условиях не зависит от величины зерен, слагающих породу, проницаемость непосредственно связана с величиной зерен. Чем меньше диаметр зерен породы, тем меньше поперечное сечение пор в ней, а следовательно, меньше и ее проницаемость.

Если в породе очень много сверхкапиллярных пор, через которые легче всего может двигаться жидкость, то такая порода относится к категории хорошо проницаемых.

В субкапиллярных порах движение жидкости встречает исключительно большое сопротивление, и потому породы, обладающие такими порами, практически являются непроницаемыми или мало проницаемыми;

2) от формы пор. Чем сложнее их конфигурация, тем больше площадь соприкосновения нефти, воды или газа с зернами породы, тем больше проявления сил, тормозящих движение жидкости, и, следовательно, тем меньше проницаемость такой породы;

3) от характера сообщения между порами. Если отдельные поры сообщаются друг с другом плохо, т. е. в породе отдельные системы пор разобщены, проницаемость такой породы резко сокращается;

4) от трещиноватости породы. По трещинам, в особенности когда они имеют большие размеры (сверхкапиллярные), движение жидкости проходит легко. Если даже общая масса породы имеет плохую проницаемость, то наличие многочисленных трещин сверхкапиллярного типа способствует увеличению проницаемости такой породы, так как по ним возможно движение жидкости или газа;

5) от минералогического состава пород. Известно, что одна и та же жидкость смачивает различные минералы по-разному. Особенно важное значение это обстоятельство имеет в тех случаях, когда порода обладает капиллярными и субкапиллярными порами. В субкапиллярных и капиллярных порах, где сильно развиты капиллярные силы взаимодействия молекул жидкости с молекулами поверхности капилляра, качественный состав породы, а также свойства самой жидкости, находящейся в порах, имеют исключительно важное значение.

 

2.3. Нефте-, газо-, водонасыщенность пород-коллекторов

Полагают, что нефтенасыщенные и газона­сыщенные пласты первоначально были полностью насыщены водой. При образовании залежей нефть и газ вследствие их меньшей плотности мигрировали в повышенные части плас­тов, вытесняя оттуда воду. Однако вода из пустотного прост­ранства вытеснялась не полностью, вследствие чего нефтегазонасыщенные пласты содержат некоторое количество воды, называемой остаточной. Относительное содержание этой во­ды в пустотном пространстве тем больше, чем меньше раз­мер пустот и проницаемость коллектора.

Остаточная вода содержится в залежах в виде молекулярно-связанной пленки на стенах пор, каверн, трещин, в изо­лированных пустотах и в капиллярно-связанном состоянии в непроточной части пустот. Для нефтегазопромысловой геоло­гии интерес представляет остаточная вода, содержащаяся в открытом пустотном пространстве.

Определение коэффициентов нефтегазоводонасыщенности занимает большое место в промысловой геологии.

Коэффициентом нефтенасыщенности К_н (газонасыщен­ности К_г) называется отношение объема нефти (газа), содер­жащейся в открытом пустотном пространстве, к суммарному объему пустотного пространства.

Коэффициентом водонасыщенности К_в коллектора, со­держащего нефть или газ, называется отношение объема ос­таточной воды, содержащейся в открытом пустотном прост­ранстве, к суммарному объему открытых пустот.

Иногда К_н, К_г, К_к выражают в процентах от объема от­крытого пустотного пространства.

Указанные коэффициенты связаны следующими соотно­шениями:

для нефтенасыщенного коллектора К_н + К_в = 1;

для газонасыщенного коллектора К_г + Кв = 1;

для газонасыщенного коллектора, содержащего кроме ос­таточной воды еще и остаточную нефть К_г + К_н + К_в = 1

Изучение водонасыщенности имеет большое значение не только для количественной оценки нефтегазонасыщенности. Важно выяснить и качественную роль водонасыщенности. Содержание в породах-коллекторах остаточной воды и ее состояние оказывают большое влияние на процессы вытес­нения углеводородов из пустотного объема при разработке залежей.

Количество, состав и состояние остаточной воды связаны со свойствами поверхности минерального вещества, с харак­тером пустот, со свойствами нефти, газа и самой воды. По­роды-коллекторы даже в пределах одной залежи могут отли­чаться по характеру смачиваемости. Остаточная вода может в виде тонкой пленки покрывать всю поверхность пустот. Та­кую поверхность называют гидрофильной (хорошо смачива­емой водой). В других случаях поверхности зерен могут не смачиваться водой вследствие адсорбции на них пленки неф­ти. Такие породы называют гидрофобизированными нефтью или гидрофобными.

По мнению ряда исследователей, к гидрофобным следует относить породы, содержащие менее 10 % остаточной воды (К_в ≤ 0, 1). При значении коэффициента водонасыщенности более 0, 1 породы считают гидрофильными.

Необходимость различать гидрофильные и гидрофобные коллекторы обусловлена тем, что во первых, процесс вытесне­ния нефти из пустотного пространства при прочих равных условиях и высокой проницаемости протекает значительно легче, чем во вторых.

В гидрофильном коллекторе вся нефть находится в по­движном состоянии и при ее вытеснении как бы скользит по пленке воды.

В гидрофобном коллекторе часть нефти, образуя пленку на стенках пустот, не участвует в процессе движения, вслед­ствие чего увеличиваются потери нефти в пласте. Эти осо­бенности следует изучать и учитывать при подсчете запасов и проектировании разработки, определяя величину конечного нефтеизвлечения при возможных системах разработки.

В зависимости от условий формирования залежей, харак­теристики пород-коллекторов, их емкостного объема и фильтрационных свойств, характера смачиваемости и других параметров, значение начальной нефтегазонасыщенности продуктивных пластов находится в пределах 97-50% при соответствующей начальной водонасыщенности 3-50%.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: