8.2. Проницаемость

Проницаемость – это свойства какого-либо вещества пропускать сквозь себя частицы другого вещества. Под проницаемостью горных пород понимается их способность фильтровать жидкости и газы при перепаде дав-ления. Различают проницаемости нескольких видов. Абсолютной называется проницаемость, измеренная при прохождении через породу какого-либо флюида (жидкость, газ) в условиях полного насыщения пор породы этим флюидом. Измерять ее лучше по какому-нибудь инертному газу (можно воз-духу, так как он обычно достаточно инертен). Жидкости же могут сущест-венно реагировать с породой. Фазовой, или эффективной, называется прони-

71

цаемость, определенная по какому-либо флюиду в присутствии в породе дру-гого флюида. Например, через водонасыщенную породу пропускают газ. Это отражает реальные природные условия, так как в пластах часто присутствуют два флюида (нефть-вода, газ-вода), а иногда и три (в залежи нефти, где также есть вода и может выделяться растворенный газ при снижении давления).

Отношение фазовой проницаемости, измеренной по какому-либо флюиду, и абсолютной, измеренной в условиях полного насыщения поро-ды этим флюидом, называется относительной проницаемостью.

Абсолютную и фазовую проницаемость горных пород определяют по закону Дарси, согласно которому скорость фильтрации (и объем прошед-шего вещества) в пористой среде при струйном ламинарном потоке прямо пропорциональна перепаду давлений и обратно пропорциональна динами-ческой вязкости:

v = Q / P = k (P₁ – P₂) / µ L,

где v – скорость линейной фильтрации; Q – объем флюида прошедшего че-рез породу; F – площадь поверхности породы, через которую проходит фильтрация; k – коэффициент пропорциональности, который и рассматри-вается как коэффициент проницаемости породы; Р₁ и P₂ – давление, соот-ветственно, на входе и выходе из образца; L – длина образца породы; µ – динамическая вязкость фильтрующейся фазы.

В случае фильтрации газа объемный расход его Q при среднем давле-нии (середина образца) Р составляет:

Q = 2Q₀P₀ / (P₁ + P₂),

где Q₀ – расход газа при атмосферном давлении Р₀. Коэффициент проницаемости:

К_пр = Qµ L / F∆ДР.

В системе СИ величины имеют размерности: Q – м³/с, Р – м², L – м, Р – Па, µ – Па × с. При этом проницаемость будет выражаться в м², т.е. прони-цаемостью в 1 м² обладает порода, при фильтрации через образец которой площадью поперечного 1 м² при перепаде давления 1 Па на 1 м длины расход флюида вязкостью 1 Па × с составляет 1 м³/с. Для реальных пород этот раз-мер очень велик и обычно проницаемость измеряется в микрометрах (мкм).

Старая, но часто употребляемая единица проницаемости Д называется по имени ученого Дарси. При применении старой системы единиц СГС определение единицы Д можно дать в следующем виде: порода обладает проницаемостью в 1 Д, если однофазный флюид с вязкостью в 1 сантипуаз (сп) фильтруется со скоростью 1 см/с с расходом 1 см³ в 1 с при площади поперечного сечения 1 см³ и при перепаде давления 1 атм (760 мм рт. ст.). Тысячная часть Дарси называется миллидарси (мД). Для перевода одних

единиц в другие существует соотношение:

1 Д = 1,02 × 10^-12 м² 1 мкм².

Приведенные формулы не учитывают ряд особенностей движения жидкостей и газов (их различную скорость, разнонаправленность и др.). Наиболее заметны отклонения при больших скоростях движения газов.

72

Проницаемость пород, особенно обломочных и глинистых, зависит от нагрузки вышележащих отложений. Чем более однородна порода и тверже ее скелет, тем меньшее изменение она испытывает. При опыте в песчанике аркозово-кварцевого состава при 20 °С под нагрузкой пористость его уменьшилась с 18 до 15,6 %, а проницаемость примерно за 40 суток – от 160 до 149 м (или 149 × 10^-15 м²). Но в результате определенных процессов на больших глубинах (разуплотнение, трещинообразование) проницае-мость может и увеличиться. Породы иногда кардинальным образом изме-няют свои свойства. Так, песчаники при интенсивной цементации могут превратиться в так называемые сливные разности и практически целиком потерять проницаемость. В то же время глинистые и другие породы в ре-зультате выщелачивания и трещинообразования из плохопроницаемых мо-гут превратиться в породы-коллекторы. Таким образом, происходит как бы полная инверсия фильтрационных свойств.

Важнейшей характеристикой природного резервуара является его гидропроводность (Т):

Т = К_пр × Н_эф / µ,

где К_пр – среднее значение коэффициента проницаемости породы-коллектора в пределах исследуемой части природного резервуара; Н_эф – средняя эффективная толщина; µ – вязкость флюида. Таким образом, гид-ропроводность зависит не только от проницаемости, но и от размера (тол-щины) «трубы», по которой осуществляется фильтрация. Вязкость, конеч-но, снижает гидропроводность.

Некоторые породы по фильтрационным свойствам занимают проме-жуточное положение между коллекторами и плохопроницаемыми порода-ми, которые называются флюидоупорами. Это так называемые породы-полуколлекторы, в которых содержание жидких флюидов высокое, а отда-ча хоть и идет, но весьма медленно. К ним относятся некоторые глинисто-алевритовые породы, в которых запасы нефти могут быть очень велики, а извлечь ее очень сложно. В полуколлекторах движение жидкости, особен-но при повышенных РТ, видимо, подчиняется не гравитационной диффе-ренциации и перепаду давлений, а иным законам, связанным с движением по капиллярам под влиянием соответствующих сил или с перестройкой структурно-текстурных характеристик пород.

Проницаемость определяется на всех приборах, где можно обеспечить фильтрацию и замер объема прошедшего через образец флюида при уста-новленных перепадах давления. Замеры фазовой проницаемости произво-дить более сложно, чем абсолютной, так как одно из подвижных веществ, накапливаясь на выходе, мешает измерять расход другого.

Более полное, чем по нескольким образцам, представление о прони-цаемости пласта можно составить после проведения исследований в сква-жинах. Если при вскрытии какого-либо пласта буровой раствор разжижа-ется и плотность его снижается, это свидетельствует о том, что пласт про-ницаем и из него под достаточно большим давлением поступает вода. Ино-

73

гда происходит потеря циркуляции раствора в скважине, и в этом случае он не возвращается к поверхности по затрубному пространству. Это озна-чает, что скважина вскрыла пласт с высокой проницаемостью (или кавер-нозную зону), куда уходит раствор при меньшем, чем в нем, пластовом давлении. Скважину испытывают при разных режимах отбора флюидов. Если даже при повышенном отборе давление в пласте мало снижается и восстанавливается быстрее, то проницаемость породы велика.

Между пористостью и проницаемостью в хорошо отсортированных обломочных породах существует определенная прямая зависимость. Одна-ко могут быть высокопористые породы с низкой проницаемостью, когда размеры пор очень малы.