7. Способи визначення фізично зв’язаної та залишкової води в гірських породах.

Способи визначення Фізично зв’язаної води. До цього типу води відносять ту частину води в порах породи, яка залишається в ній завдяки взаємодії молекул води з поверхнею мінерального скелета породи, а також в результаті впливу капілярних сил. Фізично зв’язану воду можна виділити повністю шляхом висушування зразка з нагрівом або в ізотермічному режимі екстрагування зразка в апараті Сокстлета, частково центрифугування капілярним витісненням.

Виділяють наступні види фізично зв’язаної води: а) стрічкова – утримується поверхнею твердої фази; б) кутів пор і тупікових пор; в) капілярна – затримана.

Стрічкова вода представлена багатьма шарами орієнтованих молекул води, розміщених вздовж поверхні твердої фази частинок мінерального скелету породи. Товщина шару стрічкової води складає декілька десятих нонометра (товщина моношару молекули води або гідратованих катіонів до 100 нм.

Фізичні властивості стрічкової води відмінні від властивостей вільної води – густина і в’язкість стрічкової води вище, ніж вільної, температура замерзання і розчинність солей нижче.

Міцно-зв’язана вода – відносять молекули води і гідратні оболонки катіонів, які поглинаються між шаровим простором кристалів монтморилоніту і других змішано-шарових глинистих мінералів.(між шарова вода, або вода набухання глинистих мінералів з рухомою решіткою). Міцно- зв’язана вода має густину 1,3-1,5 г/см³, діелектрична проникність ε = 10-30 відн.од, температура замерзання – 74 ⁰С, практично не розчиняє солей.

Виділення міцно-зв’язаної води, в тому числі і міжшарової здійснюють при t = 105-160 ⁰С. Міцно-зв’язана вода відповідає гігроскопічній вологості породи. Вплив тиску 20 МПа на гірську породу не позволяє витіснити всю міцно-зв’язану воду.

Рихлозв’язана вода – має густину не більшу 1,1-1,2 г/см³, діелектрична проникність більше 30. Температура замерзання – 4 ⁰С, здатна розчиняти солі, але гірше ніж вільна вода. Виділяється при температурі T<105 ⁰С.

В об’ємі, який займає стрічкова вода розміщається подвійний електричний шар. Виникає цей шар близько границі твердої і рідкої фази завдяки тому, що тверда поверхня має як правило від’ємний заряд. По суті це є особливе розподілення електричних зарядів в при граничних областях фаз породи, які дотикаються. Досить добре вивчений подвійний електричний шар на контакті електролітів із твердим компонентом породи. Цей шар складається із: а) іонного; б)адсорбційного; в) орієнтаційного.

Іонний вид шару (рис а) створюється за рахунок залишкових електричних сил на поверхні твердого компоненту порід при різних хімічних потенціалах однакових іонів в різних фазах породи. Він складається із шару дегідратованих потенціаловизначаючих іонів в твердій фазі і шару гідратованих противоіонів в рідкій фазі. Знак їх різний, розміщені дифузно біля самої границі розділу фаз. Знак і об’єм заряду твердої фази визначається хімічним складом контактуючих фаз, станом розділюючих поверхностей.

Шар гідратованих противоіонів примикає до твердої фази і утримується завдяки потенціаловизначаючих іонів. Однак тепловий рух молекул в рідкій фазі розмиває цей шар, тому він має нерухому і дифузну частину. Нерухома частина шару розміщується в поровому просторі і примикає до твердої фази, за нею розміщена дифузна частина, де густина іонів зменшує в напрямку від твердої фази в глибину рідкої.

Адсорбційний вид шару виникає в результаті вибіркової адсорбції іонів індиферентного електроліту на незарядженій поверхні твердої фази індиферентний електроліт не має спільних із твердою фазою іонів. Адсорбується той іон, який має велику валентність і менший гідратний радіус, він ближче підходить до адсорбенту і міцніше утримується ван-дер-вольсовими силами. Останні виникають на поверхні твердої фази під дією адсорбційного іону. Приблизившись до адсорбенту він поляризує поверхневі атоми, при цьому деформуються їхні електронні оболонки і атоми перетворюються в миттєві диполі, які здатні утримувати адсорбуючі іони.

Орієнтаційний вид шару формується із дипольних молекул води. Частина із них орієнтується і утримується в поровому просторі біля позитивних і від’ємних нескомпенсованих або ван-дер-вольсових зарядів на поверхні твердої фази порід, утворюючи шар міцнозв’язаної води. Поле цього шару і залишкові електростатичні сили орієнтують додаткову кількість води, яка створює рихлозв’язаний її шар. До рихлозв’язаної води відносять воду орієнтовану у іонів дифузійної частини шару.

Залишкова вода гірських порід.

Сумарний вміст в породі капілярно-утриманої і фізично-зв’язаної води визначають як залишкову воду, характеризуючи її вміст коефіцієнтом залишкового водонасичення

K_в.з = ;

де V_в.з – об’єм залишкової води, V_п – об’єм породи.

Способи визначення.

1. Прямий метод (Закса) – визначають кількість води, яка вміщується в зразку.

Визначення K_в.з прямим методом складається із наступних етапів:

1. продуктивні відклади вскриті свердловиною на нафтовій основі з 100% виносом керну;

2. зразки після виносу керну на поверхню консервуються з метою збереження в зразку пластової води;

3. кожний зразок розконсервовують і екстрагують в спиртобензолній суміші, в апараті Закса, в якому є спеціальна пастка для води;

4. визначають об’єм води виділеної із зразка;

5. знаючи об’єм зразка і пористість визначають V_п і за формулою находь K_в.з.

Прямий метод позволяє встановити значення K_в.з.пр, яке характеризує продуктивний колектор в умовах натурального залягання. Ці значення адекватні розглянутому вище K_в.з при наступних умовах:

а) колектор повністю гідрофільний;

б) вся залишкова вода колектора в пластових умовах представлена капілярно-утриманою і фізично-зв’язаною водою.

Продуктивний пласт може бути частково гідрофобним, що веде до зниження вмісту фізично-зв’язаної і капілярної води в породі в цьому випадку K_в.з.пр буде менше K_в.з.

2. Вторинні методи. Перед проведенням досліджень любим вторинним методом - а) екстрагують в апараті Секстлета, використовуючи спиртобензольну суміш, а також додаткові розчини – хлороформ, толуол. Дальше висушують зразок при температурі 105 ⁰С; б) насичують водою методом капілярної пропитки; в) витіснення води із зразка вираховуючи фіксуючий вміст залишкової води.

Вторинні методи визначення відрізняється один від одного способом витіснення води із зразка: а) капілярне витіснення; б) центрифугування; в) сушка; г) ЯМР.

Капілярометрія – зразок 100% насичений поміщають в спеціальну комірку в яку вслід за зразком поміщають мембрану, з порами певного розміру. Під дією невеликого перепаду тиску 0,15-0,2 МПа воду із зразка витісняють повітрям. Величину ΔP вибирають у відповідності з розміром пор мембрами, тобто трохи менше ΔP_пр при якому можливий порив мембрами. Тобто умови проведення експерименту уже за відомо визначає верхню границю радіуса пор із яких вода не буде витіснятися.

z_гр =2σ cos θ /ΔΡ,

де ΔΡ – максимальний перепад тиску на зразку, σ – поверхневий натяг на границі повітря-вода. Значення беруть в границях 0< θ <45⁰, частіше θ = 0 величина K_в.з вираховують за формулою

K_в.з = (V_п-V_в.вит)/V_п.

При експерименті спостерігається залежність ΔΡ= ƒ(V_в.вит)

K_в.з=ƒ(P_н).

Для газоносних порід воду витісняють повітрям, для нафтоносних – керосін-гексан.

Метод центрифугування –повністю водонасичений зразок розміщують в комірку ротору центрифуги і центрифугують на протязі деякого часу із заданою частотою. Витіснення води проходить завдяки створенню при центрифугування тиску Ρ_к в порових каналах зразка.

Ρ_к = 1,8n²Δδ(3RL+L²)·10^-10,

Де n – частота обертання ротора центрифуги, хв^-1; Δδ – різниця густини води і витісняються фази (повітря), то Δδ = δ_в, г/см³; R і L – радіус обертання і довжина зразка, см; Ρ_к – МПа. Частоту і тривалість обертання вибирають, як правило такими, щоб одержані значення K_в.з були найбільш близькими до значення K_в.з на тих зразках визначеними капіляриметрія. Для зразків з К_пр > 100·10^-15 м² вибирають n ≤ 4000 хв^-1, t = 30 хв. із зменшенням К_пр час обертання до 1 год., а частоту обертання до 6000 хв^-1. Режим центрифугування підбирають таким, щоб витіснення води із капілярів з

z > 0,5 ÷ 1 мкм .

Змочуваність твердої фази гідрофільність і гідрофобність порід. Вибірковість змочування твердої фази водою визначається величиною кута змочування θ на границі води і другої рухомої фази в капілярі (повітря, газ, нафта). При θ = 0 поверхня рахується повністю гідрофільною при 0<θ<90⁰ поверхня переважно гідрофільна; при 0<θ<180⁰ переважно гідрофобна, при θ =180⁰ – повністю гідрофобна. Причини часткової, або повної гідрофобності поверхні можуть бути різні: а) специфічні властивості речовини твердої фази, склад і фізичні властивості пластової води, нафти і газу. Переважно гідрофобні тверді бітуми і вугілля. Глини і агрегати глинистих мінералів (глинистий цемент), як правило, гідрофільні. Якщо не враховувати глинисті нафтоматеринські породи боженовської свити.

В нафтоносних колекторах гідрофобізація поверхні здійснюється при наявності полярних молекул поверхнево-активних вуглеводнів – нафтенових кислот, асфальтенів і інших.

Гідрофобізація породи-колектора здійснює суттєвий вплив на величину під рахункових параметрів. Існує ряд способів кількісного визначення степеню гідрофобності породи. В основі цих способів лежить порівння результатів експерименту виконаного на “сирому” зразку із свердловини з частковою гідрофобністю і на тому ж зразку після екстракції (обробка органічним розчинником) в результаті якої частково гідрофобний зразок становиться гідрофільним, а гідрофільний зберігає вибіркову змочуваність. Якісна ознака часткової гідрофобності зразка - зміна результатів експерименту після екстракції.

В якості кількісної міри визначення (фільності) змочуваності вивчаючого об’єкту використовуються коефіцієнти

β = Q_см.в/Q_см.н,

де Q_см.в – теплота змочування 1 г речовини водою; Q_см.н – теплота змочування тієї ж речовини неполярною рідиною (бензолом).

Для гідрофільних об’єктів β > 1, гідрофобних об’єктів β < 1. Для глин β = 2-3. Величина Q_см.в для глин складає 8,4-84 Дж/г, для глинистого цементу порід-колекторів 4,2-21 Дж/г. Для скелетних зерен значно менше 16,8 Дж/г. Порівняння β до і після екстракції позволяє оцінити кількісно.

8. Гігроскопічна і максимально гігроскопічна вологоємність.Митник

9. Методи визначення різних типів води в породах колекторах.Митник