3.3. Пористость
(Слайд 1G3_4)
Между твердыми частицами, слагающими горные породы, в результате неполного прилегания их поверхностей друг к другу образуются промежутки различной величины — поры. Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их величины и заполнения, называется пористостью породы.
Пористость породы определяется отношением норового пространства породы к ее общему объему и выражается обычно в процентах.
Пористое пространство пород определяется не только размерами и конфигурацией составляющих породу минеральных зерен, но и наличием в ней трещин, плоскостей напластования и присутствием в порах цементирующих веществ.
Пористость пород может обусловливаться как процессами седиментации, так и процессами химического растворения. В большинстве карбонатных коллекторов, к числу которых относятся известняки и доломиты, пористость является следствием растворения кальцита пластовыми водами, содержащими растворенную углекислоту. Поровые пространства таких пород представлены обычно каналами и кавернами. Осадочная (межгранулярная) пористость обусловливается наличием промежутков между отдельными зернами породы.
Величина пористости различных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до нескольких десятков процентов. Например, пористость бакинских нефтяных песков колеблется от 18 до 52%, ставропольских газоносных алевритов и алевролитов — от 30 до 40%, волгоградских нефтяных яснополянских песчаников — от 20 до 27 %. Чаще всего пористость карбонатных пород колеблется в пределах 3—30%. Пористость глин может достигать 40—50% и выше.
Породы-коллекторы песчано-алевритового типа с пористостью меньше 5%, не содержащие трещин, разломов и каверн, обычно не представляют практического значения. А. И. Леворсен (1958) приводит такую приблизительную полевую оценку пористости пород:
- пренебрежимо малая 0—5%,
- плохая 5—10%,
- удовлетворительная 10—15%,
- хорошая 15—20%,
- очень хорошая 20—25%.
Однако следует помнить, что не все гранулометрические типы песчано-алевритовых пород могут быть оценены по этой шкале.
(Слайд 1G3_51)
В отличие от идеальной породы обломочные зерна, слагающие осадочные породы, обычно бывают разной формы. Даже хорошо окатанные обломочные зерна песчаников редко обладают правильной сферической формой. Пористость породы, состоящей из сферических зерен разной величины, может быть выше или ниже теоретической в зависимости от размеров составляющих зерен.
Теоретическая пористость агрегатов, составленных из сфер одинакового диаметра, может колебаться от 25,96% (рис. 1) до 47,6% (рис 2). Эти пределы хорошо совпадают с пределами пористости песков, пористость которых при их естественном залегании составляет 30—50%.
Слихтер (1899 г.) указывал, что значения теоретической пористости не зависят от величины зерен. Так, пористость гравия, состоящего исключительно из зерен правильной сферической формы диаметром 2 мм, имеет то же значение, что и у глины, сложенной тоже из зерен правильной сферической формы, но диаметром 0,05 мм. Однако в обоих случаях пористость неравноценна: гравий хороший коллектор, а глина для нефти и газа практически непроницаема.
И. М. Губкин (1932) указывал, что понятие «высокая пористость» обычно подразумевает обилие в породе различных отверстий, понятие же «низкая пористость» указывает не столько на отсутствие или незначительное количество пор, сколько на недостаток пор, могущих вмещать и отдавать нефть. Для накопления нефти или газа в породе или извлечения их из нее имеет значение не только относительное количество пор, но и их абсолютные размеры.
Зерна реального грунта по своей форме не являются сферическими. Наличие в породе глинистых, карбонатных и других цементирующих веществ, размеры зерен которых меньше преобладающей фракции песка, ведет к уменьшению пористости песчаной породы. Чем больше поверхность соприкосновения между зернами породы, тем меньше ее пористость.
Коэффициент однородности обломочных зерен различных песков нефтеносных районов СССР колеблется от 1 до 20. Чем больше коэффициент неоднородности, тем менее однороден песок, тем меньше коэффициент пористости.
(Слайд 1G3_52)
Угловатые, неправильной формы зерна могут укладываться или более плотно, или более рыхло, чем сферические. В связи с этим они могут характеризоваться в том или ином случае как наименьшей, так и наибольшей пористостью по сравнению с идеально сферическими зернами. При наименьшей пористости зерна неправильной формы должны иметь одну и ту же угловатую форму и соответственно укладываться со смещением поверхностей, достигая наиболее плотной упаковки. В природных условиях довольно часто наблюдается сравнительно рыхлая укладка зерен, обладающих неправильной, угловатой формой, что отражается на величине пористости.
Поверхность соприкосновения зерен меняется в зависимости от горного давления, геометрического расположения зерен и их формы. Форма порового пространства пород более извилиста при менее окатанном и отсортированном обломочном материале.
Поры ячеистой и каналовидной формы встречаются у известняков.
Поры, близкие к ромбоидальным и тетраэдрическим, часто наблюдаются у пород с хорошо отсортированными и окатанными зернами.
Трещиновидные поры характерны для пород с жесткими связями, испытавших действие тектонических сил, процессов выветривания, кристаллизации и т. п.
Обычно с увеличением глубины залегания пласта пористость уменьшается. Особенно это относится к глинистым породам, тогда как песчаные отложения в случае давлений, не приводящих к скалыванию граней зерен породы (не более 300 кГ/см2), встречаются на относительно больших глубинах с достаточно высокой пористостью.
Общая пористость подразделяется на макропористость и микро-пористость. Под микропористостью понимаются поры размером менее 1 мм, под макропористостью поры более 1 мм.
Среди микропор выделяют поры ультракапиллярные (субкапиллярные) размером меньше 0,1 мк. Размеры капиллярных пор колеблются от 0,0002 до 0,1 мм. Жидкости в этих порах движутся по капиллярным законам, преодолевая силу тяжести. В субкапиллярных порах пере-движение воды под действием капиллярных сил затруднено или отсутствует, так как поры сечением менее 0,1 мк при смачивании полностью заполняются связанной водой (прочно связана со стенками пор).
Трещиновидные поры Е.М. Смеховым (Смехов и др., 1958) под-разделяются па микротрещины с раскрытостью от 0,01 до 0,1 мм и макротрещины с раскрытостью больше 0,1 мм; последние хорошо видимы невооруженным глазом. Мегапоры присущи карстовым полостям карбонатных пород.
Величина пор песчано-алевритовых пород сильно колеблется в зависимости от величины и формы зерен, плотности укладки и сцементированности обломочных зерен.
(Слайд 1G3_53)
Пористая среда характеризуется рядом геометрических свойств:
- пористостью общей,
- пористостью открытой (учитывающей объем только взаимосвязанного порового пространства),
- удельной внутренней поверхностью и извилистостью.
Изложение понятий о видах пористости приводится ниже.
Удельная внутренняя поверхность поровой системы определяется отношением внутренней поверхности твердой фазы породы к вмещающему объему и выражается в единицах, обратных длине.
Понятие извилистость ранее вводилось как кинематическая характеристика, равная относительной средней длине пути, пройденного жидкой частицей от одной стороны пористой среды к другой. Она выражается в безразмерных величинах.
Некоторые исследователи (Archie, 1942; Wyllie a. Spangler, 1952 и др.) считали возможным определять извилистость путем измерения электрического сопротивления, в силу того, что ток должен протекать по системе капилляров, составляющих поры. Исходя из этого, можно полагать, что извилистость должна быть такой же в случае движения частиц жидкости по системе тех же капилляров.
Кроме приведенных выше геометрических свойств, существует понятие о геометрической величине размеров пор любой пористой среды. Однако система пор пористых тел образует сложную поверхность, которую геометрически трудно представить.
В определении размера пор удобной мерой является их диаметр. Но представление о диаметре возможно в случае круглых пор, что бывает весьма редко. Помимо этого, поры вследствие того, что стенки их расходятся и сходятся, не обладают нормальным сечением. Тем не менее приближенно размер и распределение их определяют.