petrophysics2004

Следует отметить, что в некоторых случаях при глубоком катаге­

незе в терригеиных породах могут образовываться вторичные поло­ сти (каверны и трещины), а в известняках, доломитах и мергелях­

сохраняться первичные поры.

Количественно объем всех видов пор (емкостей) в горных породах

принято оценивать коэффициентом пористости:

гдеV п- объем полостей, заключенных в породе; V - объем породы1•

Пористость-фундаментальное свойство породы, от которого за­ висит большинство ее физических свойств. Однако при этом вид (конфигурация) полостей также имеет важное значение при изуче­ нии физических свойств. В общем случае коэффициент общей по­

ристости

(3.2)

гдеV п.мз• V т• V кав ~объемы пор (межзерновых), трещин и каверн со­

ответственно; kп.мз• kт, kкавкоэффициенты межзерновой пористос­

ти, трещиноватости и кавернозности соответственно.

По форме первичные nолостипоры могут быть ромбоэдральны­

ми у хорошо отсортированных рыхлых и окатаиных песчаников, тет­

раэдрическими у тех же сильно уплотненных пород, щелевидными у

глин, слюд и других минералов с кристаллической решеткой пластин­ чатой структуры, в виде канальцев расширяющейся или сужающей­

си формы у плохо ОТсортированных обломочных образований, пузыр­

чатыми в ненарушенных магматических породах; вторичные полос­

ти-трещинавидными у скальныхметаморфическихи магматических пород, кавернавидными укарбонатных разностей и гипсов, каналавид­ ными у лессов, ячеистыми у известковистых и кремнистых туфов, со­ ответствующими форме вьпцелоченным кристаллам минералов в плот-. ных магматических, метаморфических и осадочных породах. По раз­ мерам поры и каверны можно характеризовать эффективным

диаметром2, а трещинысредней шириной (раскрытием).

Воснову классификации пор по размерам положено взаимодей­

ствие твердой поверхности с насыщающей поры пластовой водой.

Внаиболее крупных, сверхкапиллярных, порах, имеющих диаметр d3Ф > 1о-4 м, доля воды, связанной капиллярными силами и силами

адсорбции с твердой фазой, сравнительно невелика. Поэтому плас­

товая вода в этих порах может двигаться в основном под действием

силы тяжести в соответствии с законами трубной гидромеханики.

В капиллярных порах (d3Ф=10-7 + 10-4 м) радиус менисков, Обра­

зовавшихея на границе двух фаз в результате поверхностного натя­ жения, таков, что они препятствуют движению воды под действием

силы тяжести, т.е. вода в этих порах удерживается капиллярными

силами.

1 Для набухающих nород; V - объем сухой породы.

2 Диаметр круга с площадью, равной nлощади изучаемой nоры.

30

Всубкапиллярныхпорах(d3Ф=2 ·10-9+1·10-7 м)великадоляводы,

на которую действуют адсорбционные силы со сторонытвердой повер­ хности. Поры в этом случае заполнены рыхло- и прочносвязанной во­ дой, которая практически не способна к перемещению в поле силы тя­

жести или под влиянием сил поверхностного натяжения.

В мИкропорах (d3Ф < 2 · 1о-9 м), диаметр которых соизмерим с тол­

щиной слоя прочносвязанной воды, пластовая вода при температу­

рах менее 70"С практически неподвижна.

Сверхкапиллярные поры характерны для слабосцементирован­

ных галечников, гравия, крупно- и среднезернистых песков, обломоч­ ных разностей карбонатных пород; в зонах выщелачив.ания карбо­ натных пород они могут достигать весьма больших размеров (кавер­ ны, карсты).

Капиллярные поры типичны для сцементированных песчаников,

обломочных и кристаллических известняков, доломитов. Сверхкапил­

лярные и капиллярные поры составляют основную емкость грану­

лярных коллекторов.

Субкапиллярные поры свойственны глинам, мелкокристалличес­

ким и мелоподобным известнякам, доломитам, трепелам, пепловым туфам и другим тонкозернистым породам. В отсутствие трещинова­ тости все эти породы не являются коллекторами. Микропоры уста­

новлены у некоторых природных цеолитов.

Трещиноватость наиболее характерна для плотных, низкопорис­ тых горных пород. Происхождение трещин чаще всего тектоничес­ кое, хотя в природе можно встретить трещины диагенеза (доломити­ зация карбонатов), трещины уплотнения и трещины автогидрараз­

рыва в зонах образования аномально высоких пластовых давлений.

Наиболее хорошо изучена субгоризонтальная трещиноватость пород, ориентированная преимущественно по напластованию. Рас­

крытие (ширина) этих трещин Ь редко превышает 10-4 м в связи с

превышением вертикальных напряжений в консолидированных

горных массивах над горизонтальными. Это обстоятельство способ­ ствует смыканию горизонтальных трещин. Однако в последнее вре­ мя высказываются мнения о значительном влиянии субвертикаль­ ной трещиноватости в земной коре на течение многих геологичес­ ких процессов. По некоторым данным раскрытие вертикальных и

субвертикальных трещин может быть весьма значительным. Этот

вид трещиноватости в горных породах труднее поддается изуче­

нию существующими геофизическими методами исследования

скважин.

По характеру взаимной связи между порами и движению флюи­ дов в породе различают общую, открытую, эффективную и динами­

ческую пористости.

Коэффициентом общей пористости kn называется объем всех полостей, как сообщающихся между собой (или откры­

тых), так и не сообщающихся (закрытых). Количественно общую по­

ристость рассчитывают по соотношению плотностей сухой породы и

минеральных зерен:

31

(3.3)

где V - объем сухой породы; Vтв - объем твердой фазы в породе; ()ILc• ()твплотности сухой ненарушенной породы и твердой фазы (ми­

нералогическая плотность породы) соответственно.

Уравнение (3.3) используется при лабораторном способе опреде­ ления коэффициента общей пористости образцов (способ Мельчера). С этой целью взвешиванием находят плотность сухого парафиниро­

ванного образца бп.с и плотность минералов (твердой фазы) (()тв> того

же раздробленного образца путем взвешивания в пикнометре. Спо­ соб Мельчера чаще всего применяется для изучения пористости об­ разцов пород с межзерновым типом пор. Трещины н каверны обычно

недостаточно полно представлены в керне.

Коэффициентом открытой пористости kп.о оценивается объем пор,

сообщающихся между собой в породе и с окружающей средой. От­

крытую пористость определяют путем взвешивания сухих и насы­

щенных керосином образцов пород с последующим нахождением

объема парафинированных образцов путем их взвешивания в керо­

сине (метод Преображенского):

(3.4)

где V п.о- объем пор, заполненных керосином.

Для низкоглинистых высокопористых и рыхлых пород общая и

открытая пористости отличаются незначительно. Для пород с боль­

шим содержанием субкапиллярных пор (например, глины) различие

может быть весьма существенным.

Коэффициент эффективной пористости ~ЭФ(поня­

тие введено Л. С. Лейбензоном) характеризует полезную емкость по­ роды для углеводородов (нефти или газа) и представляет собой объем открытых пор за исключением объема, заполненного физически свя­ занной и капиллярно-удержанной пластовой водой:

где kв.св - коэффициент водонасыщения, определяющий содержа­

ние связанной воды в единице объема пор; Vв.св -объем связанной

воды.

Однако не весь объем нефти или газа, заполняющих полезную ем­ кость горных пород, можно привести в движение при разработке ме­

сторождений. Определенная часть их, находящаяся в мелких и ту­

пиковых порах, при реализуемых градиентах давления вытесняю­

щей жидкости остается в порах без движения.

Коэфф}'lциент динамической пористости kiLдпока­

зывает, в какой части объема породы при заданном градиенте давле­

ния может наблюдаться движение жидкости или газа. Этот объем оп­

ределяют на содержащем остаточную воду и насыщенном керосином

образце как разницу между объемом эффективных пор (Vп.о-V в.св> и объемом пор V н.о• в которых остался керосин после его вытеснения из породы другим флюидом (обычно воздухом или азотом):

32

kп.д = (Vп.о- Vв.свVн.о) 1V =

Некоторая неопределенность определяемых в лаборатории зна­ чений kп.д и kп.эфф заключается в том, что эти величины зависит не

только от свойств породы, но и от приложеиного градиента давле­ ния и времени вытеснения керосина другим флюидом. Так, при

длительном приложении высоких градиентов давления вытесне­

ния kп.д ~ kп.эф· Однако при низких градиентах давления вытесне­ ния, как правило, kп.д < kп.эф· В величинах коэффициентов порис­

тости, определенных на одном образце, k 0 > kn.o > kп.эф > kп.д·

Ценность информации о движении флюидов, которую содержат коэффициентыэффективной и динамической пористости, определяет

их важное практическое значение, как это показал опыт оптимиза­

ции разработки Ромашкинекого месторождения на поздней стадии эксплуатации (табл. 2). Поэтому в геофизике активно развиваются

радиоиндикаторные методы прямого определения kп.д коллекторов в

условиях естественного залегания.

3.1. СТРУКТУРА ЕМКОСТНОГО ПРОСТРАНСТВА

Емкостное пространство горной породы, образованное сообщаю­ щимиен между собой порами, трещинами и кавернами, является весь­

ма сложным по своему строению и состоит из сочетания емкостей

разных форм и размеров. Одни поры хорошо проводят флюиды, дру­ гиезаполнены адсорбированной и капиллярно-удержанной водой.

Структура емкостного пространства изучаемой породы характе­ ризуется распределением пор по размерам. Существуют прямые и

косвенные методы изучения структуры емкостного пространства.

К прямым методам относятся оптические, например, исследование микрофотографий шлифов (А. Ф. Богомолова, Н. А. Орлова, 1961 г.) и с помощью электронной микроскопии, к косвенным - капиллярные

методы.

Оптические методы характеризуют распределение пор на плос­ кости, и требуются многократные исследования на параллельных плоскостях для представления об изменении пор в объеме. Метод ок­ рашенных шлифов наиболее широко применяется при изучении

структуры пор трещиноватых и трещиновато-кавернозных пород на

больших шлифах (К. И. Багринцева, 1975 г.).

Капиллярные методы характеризуют структуру емкостного про­ странства в объеме, но они, как правило, не могут быть использованы

для изучения трещиновато-кавернозных пород.

Известны три разновидности капиллярных методов: 1) полупро.:.

ницаемой мембраны; 2) ртутной порометрии; 3) капиллярной пропит­

ки. Эти методы основаны на применении уравнения Лапласа для ка­

пиллярного давления в круглом цилиндрическом капилляре для оцен­

ки эффективного дИаметра пор dэФ• м:

где cr- поверхностное натяжение, Н/м; Рккапиллярное давление, -

Па; е- краевой угол смачиваемости.

В методе полупроницаемой м ем бра ны изводонасы­

щенного образца, установленного на водонасыщенной искусственной

мембране размером пор 2 · 10-6 м, азотом вытесняют воду и строят

зависимость величины водонасыщенности образца от величины ка­ пиллярного давления. По формуле (3.7) вычисляют эффективные ди­

аметры пор, соответствующие каждому Рю а по изменению водона­

сыщенностиотносительное содержание этих пор в объеме породы. Строят график распределения пор в образце по их размерам.

Большинство исследователей принимают е= О из условий абсо­

лютной смачиваемости водой кварцевого капилляра и cr- для гра­ ницы раздела воды с воздухом при данной температуре. Длительность опыта при исследовании одного образца достигает 30 сут.

Размер пор полупроницаемой мембраны ограничивает нижний предел изучения пор. Радиусы пор вычисляют в диапазоне

(2+100) ·1о-6 м.

Пленку смачивающей жидкости (воды) на поверхности пор поро­

ды трудно учесть в расчетах, что снижает точность определения рас­

пределения пор.

В методе ртутной порометрии ввакуумированныйоб­ разец нагнетают ртуть. Чем меньше диаметр пор, тем большее дав­ ление нужно приложить для преодоления капиллярных сил. Строят

зависимость Рк от насыщенности образца ртутью, затемкривую

распределения пор.

Краевой угол е обычнопринимаютравным 140" из условий несма­

чивания ртути кварцевого капилляра, а cr- для границы раздела

ртутьвоздух. На опыт с одним образцом расходуется всего несколь­

ко часов, а диапазон изучаемых пор при работе с этим методом рас­

ширяется до (0,01+100) ·10)-б м.

К недостаткам метода можно отнести слабую изученность зави­ симости е от влажности и литологии пород и невозможность исполь­

зовать образец для пов'l·орных или последующих исследований.

На рис. 1О изображены фотографии поверхности трех типов по­

род, выполненные с помощью электронного микроскопа, и гистог­

раммы распределения пор в этих породах, полученные на ртутном

поромере. Хорошо видна разница в структурах поровоrо простран­

ства.

В современных приборах все измерения с ртутным поромером ав­

томатизированы, включая и вычисления гистограмм распределения

пор в породе.

В методе капиллярной пропитки, или люминесцент­

но-фотометрическом методе (Л. М. Марморштейн, 1975 г.), смачива­ ющая люминесцирующая в ультрафиолетовом свете жидкость под воздействием капиллярных сил впитывается образцом. С помощью автоматической фотометрической установки наблюдают за измене­ нием окраски верхнего торца образца под влиянием впитывающейся

жидкости.

35

Рис. 10. Строение пористых пород по данным микрофотографий (I) поверхностей сколов (увел. 180) и шлифов пород (II),

поры которых насыщены люминофором (увел. 40); гистограммы размеров пор (III):

а- nесчаник кварцевый круnнозернистый; nоры заnОJiнены вторичным каолином (Талинское м_есторождение нефти, kп = 15,3%, kпр = 0,230 мкм2, Н= 2645 м); содержит каnиллярные nоры

б- известняк мелкокавернозный (Тенгизское месторождение нефти, k" = 13,1%, knp = 0,0053 мкм2, Н= 4730 м); бимодальное распреде-

ление капиллярных и субкапиллярных пор ·

~

Дополнительное изучение извилистости поровых каналов элект­ рическими методами позволяет в этом методе отойти от моделирова­

ния парового пространства пучком параллельных цилиндрических

капилляров. Однако этот метод, так же как и другие методы, осно­ ванные на использовании люминесцирующих жидкостей для изуче­ ния структуры парового пространства (метод смесимого вытеснения, по Л.М. Марморштейну), пока не получили распространения.

3.3. ПОРИСТОСТЬ МИНЕРАЛОВ

Твердая фаза горных пород состоит из породообразующих мине­

ралов.

Кристаллы или обломки минералов, слагающих горную породу, имеют, как правило, весьма низкую первичную общую пористость. Эта пористость обусловлена включениями газов или другими особен­ ностями условий кристаллизации минералов. Открытая первичная

пористость у большинства минералов отсутствует. Поэтому измене­

ние объема и состава минерального скелета горных пород может быть

связано только с процессом эрозии или эпигенетическими процесса­

ми в литогенезе (растворением, осаждением, перекристаллизацией и т.п.). Пористость некоторых минералов в процессе эпигенеза может

значительно возрасти, например, при разрушении зерен полевых

шпатов, переходящих в глинистые минералы.

Т а блиц а 3. Коэффициент общей пористости kп некоторых минералов

(по Б. IL Беликову, К. С. Александрову и Т. В. Рыжовой),%:

Таким образом, первичная пористость минералов несет мало ин­ формации о породе и слабо изучена. Существенно большее практи­

ческое значение в геологии и геофизике имеет плотность породооб­

разующих минералов, которая отражает их элементный состав.

3.4. ПОРИСТОСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Осадочные породы, по М. С. Швецову, можно подразделить на три большие группы: 1) обломочные; 2) хемогенные и биогенные; 3) гли­

нистые.

В природных условиях часто порода состоит из нескольких состав­ ных частей, тогда основанием для отнесения ее к той или иной группе

39