1.5.5. Лабораторные методы определения фазовой проницаемости пород.

Количественная оценка фазовых проницаемостей в лабораторных условиях – очень сложная и в методологическом и в техническом отношении задача. Установки для определения зависимостей фазовых проницаемостей от насыщенности обычно состоят из следующих частей:

1. Кернодержатель специальной конструкции.

1. Приспособление для приготовления смесей.

2. Устройство для приема, разделения и измерения раздельного расхода жидкостей и газа.

3. Устройство для измерения насыщенности различными фазами пористой среды.

4. Прибор контроля и регулирования процесса.

Главная трудность при определении фазовой проницаемости - определение текущей водонасыщенности, которая определяется двумя основными способами:

1. измерение электропроводности (сравнение с тарировкой),

2. взвешивание образца.

Первый метод пригоден, если одна из фильтрующихся жидкостей электропроводна (минерализованная вода, водоглицериновая смесь).

При движении многофазных систем проницаемость для каждой фазы будет определяться обобщенным законом Дарси, который имеет следующий вид:

где индексом ф отмечена соответствующая фаза в потоке.

Таким образом, при движении многофазных систем проницаемость для каждой фазы можно определить экспериментально по следующим формулам:

.

Здесь соответственно расходы нефти, воды и газа в общем потоке системы на выходе из модели пласта.

Вопросы для закрепления

1. Что понимают под фазовой проницаемостью горных пород? Дайте определение фазовой проницаемости.

2. Чем объясняется различие абсолютной и фазовой проницаемостей? Почему суммарная относительная фазовая проницаемость обычно меньше 1?

3. Выведите аналитические зависимости относительной проницаемости для двухфазных жидкостных и газо-жидкостных потоков.

4. Какова особенность фильтрации многофазных систем в гидрофильных и гидрофобных коллекторах?

5. Запишите обобщенный закон Дарси для многофазной фильтрации.

6. Из каких основных узлов должна состоять установка по определению фазовых проницаемостей в лабораторных условиях?.

7. На чем основано измерение текущей водонасыщенности при экспериментальном определении фазовой проницаемости?

1.6. Физико-механические свойства горных пород.

1.6.1. Напряженное состояние горных пород.

Горные породы, залегающие в земной коре в виде ловушек нефти, газа и воды, ограничены сверху и снизу непроницаемыми монолитными отложениями или перемежаются ими, в зависимости от вида нефтегазовой залежи (см. лекцию 1). В результате, на продуктивный пласт в вертикальном направлении действует сила тяжести вышележащих толщ, и чем глубже залегает пласт, тем больше это давление. Однако не только эти силы «держат» продуктивный пласт в напряженном состоянии. Горные породы в процессе геологического формирования и в настоящее время подвергаются действию сил тектонического происхождения, притяжения планет, физико-химическим превращениям. Все эти силы определяют естественное напряженное состояние горных пород. При внешнем воздействии на горные породы с целью их выработки изменяется не только горное давление, но и их термодинамические параметры. Закачка вытесняющих агентов (в частности, воды с различной степенью минерализации) может в еще большей степени нарушить равновесное состояние продуктивных отложений за счет возможных химических реакций, разбухания глин и т.д. Немаловажную роль играют и силы, порожденные изменением в силу различных причин температурного поля в земной коре.

Таким образом, можно говорить о том, что горные породы находятся в постоянном напряженном состоянии, и на породы в недрах Земли действуют следующие основные силы:

• Горное давление, обусловленное весом пород.

• Тектонические силы и внутрипластовое давление.

• Термические силы, возникающие под влиянием теплового поля Земли.

Выделим в массиве горной породы элементарный объем и рассмотрим силы, действующие на его грани (Рис. 1.6.1). Представим суммарное действие всех сил в виде нормальных и касательных составляющих тензора напряжений относительно каждой грани: нормальные составляющие σ вдоль координатных осей в перпендикулярных к граням направлениях и касательные составляющие τ , лежащие в плоскости соответствующих граней.

Рис. 1.6.1. Компоненты напряжений, действующих на элемент горной породы.

В результате получим тензор, характеризующий напряжения выделенного элемента горной породы П:

. (1.6.1)

Из курса механики сплошных сред известно, что такой тензор обладает следующими свойствами.

1. Тензор П - симметричный, т.е. τ _xy = τ _yx, τ _zx = τ _xz,, τ _yz = τ_zy.

2. Существуют три взаимно перпендикулярные главные оси тензора напряжений, относительно которых тензор имеет вид:

, (1.6.2.)

где σ₁, σ ₂,σ₃ - главные напряжения, причем σ_x+ σ_y+ σ_z = σ₁+ σ₂+ σ₃, т.е. сумма нормальных напряжений на три взаимно перпендикулярных площадки не зависит от ориентации этих площадок.

Если элементарный объем породы ориентировать по осям главных напряжений σ₁, σ ₂, σ₃, то касательные напряжения будут равны нулю.

Нормальные составляющие тензора напряжений вызывают деформации сжатия или растяжения e_x, e_y, e_z, касательные – деформацию сдвига граней tg γ_xy, tg γ_yz, tg γ_xz , а чаще угол сдвига γ, так как деформации обычно малы и tg γ≈ γ (рис. 1.6.2).

Рис. 1.6.2. Схема сдвиговых деформаций грани ху под действием