Глава I. Горная порода

КАК ГЕТЕРОГЕННАЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Конструирование исходной рабочей гипотезы при построе­нии идеальной петрофизической модели основано на теоретиче­ских и экспериментальных данных об объектах исследования, а также на сформированных понятиях и определениях отдель­ных элементов горной породы и всей изучаемой системы в це­лом. Ниже приведены основные сведения по терминологии гор­ной породы, которые необходимы при конструировании рабочей гипотезы в связи с моделированием.

Терминология

Горная порода. В геологической науке под горной по­родой понимают природные агрегаты минералов более или ме­нее постоянного состава, образующие самостоятельные геоло­гические тела, слагающие земную кору [34]. Такое определе­ние горной породы не может удовлетворить исследователя, про­водящего мысленный физический эксперимент. Необходимо дать определение горной породы в приложении к ней физико-химических законов.

Горная порода состоит из компонентов и фаз различного физико-химического состава и агрегатного состояния. Такая не­однородная система в физической химии называется гетероген­ной. Твердую фазу породы слагают минеральные частицы ске­лета и цемента, жидкую — пластовые воды той или иной ми­нерализации и жидкие углеводороды (нефть, сжиженные газы), газообразную — углеводородные и другие газы. Между отдель­ными фазами системы протекают разнообразные химические реакции, процессы растворения и кристаллизации. На поверх­ностях раздела объемных фаз могут возникать промежуточные фазы или поверхностные слои, которые характеризуются ано­мальными фнзико-химическими свойствами. Эти слои образу­ются в результате взаимодействия отдельных компонентов гор­ной породы.

Под компонентом понимается независимое, отличающееся по химическому составу вещество, входящее в систему, способное при выделении из нее или при переходе из одной ее части в дру­гую самостоятельно существовать независимо от выделившего­ся его количества. Фаза — часть системы с определенным комплексом физических свойств, отделенная резкой поверхностью от другой части системы с иными физическими свойствами и способная при нарушении равновесия обмениваться с другими частями своим веществом.

Твердая фаза гранулярной горной породы состоит из частиц различного минерального состава и размера. К ней относятся матрица (скелет) и цемент породы. Минеральный состав це­мента (обычно это пелитовая фракция) и его количество опре­деляют в основном сорбционные свойства горной породы и иг­рают важную роль при формировании поверхностных водных слоев. Размер частиц породы характеризуется ее гранулометри­ческим составом. Медианные размеры зерен в гравийно-песча-но-алевритово-глинистых породах колеблются от единиц до ты­сячных долей миллиметра, т. с. осадочные обломочные горные породы характеризуются полпдисперсностью. Обломочная гор­ная порода представляет собой также пористую среду, которая содержит то или иное количество пор. Поры имеют малые раз­меры по сравнению с пластами, их величина изменяется от де­сятых до тысячных долей миллиметра. Поры всегда заполнены жидкой, газообразной или твердой фазами.

В качестве жидкой фазы в горной породе могут присутство­вать разнообразные водные растворы различных химических соединений (пластоныс воды), углеводороды (нефть) и сжи­женные газы, являющиеся в общем случае многокомпонентными веществами.

Газообразная фаза, представленная обычно углеводородами предельного ряда, находится в гидрофильных породах в непо­средственном контакте и взаимодействии с остаточной водой, в гидрофобных — с твердыми минеральными частицами.

Поверхностные фазы образуются на поверхностях раздела минеральная частица — пластовая вода, пластовая вода — угле­водород (нефть, газ), минеральная частица — углеводород в ви­де адсорбционных моно- и полимолекулярных водных и углево­дородных слоев, имеющих аномальные механические и физико-химические свойства по сравнению с их свойствами в объеме. В результате взаимодействия воды и твердых частиц породы об­разуется связанная вода за счет молекулярного и ионно-электростатического поля частиц. Наличие поверхностных фаз в ди­сперсных системах доказано теоретически и экспериментально работами Б. В. Дерягина и др. [18—20, 23. 59].

Горные породы, залегая на той или иной глубине, находятся в определенных термодинамических условиях и по отношению к окружающим телам являются системами открытыми, т. е. способными обмениваться с окружающей средой веществом, теплотой и т. п.

Итак, в общем случае можно считать, что горная порода есть гетерогенная термодинамическая многокомпонентная мно­гофазная система. Во многих практически важных случаях терригенная осадочная горная порода может быть рассмотрена как гетерогенная полидисперсная пористая открытая физико-химическая система. Эта система находится в конкретных тер­модинамических условиях и содержит твердые, жидкие и газо­вые, компоненты и фазы, существующие в статистическом про­странственном взаиморасположении и физико-химическом

взаимодействии.

Дисперсность и слоистость. Дисперсная си­стема состоит из двух или большего числа фаз с сильно разви­той поверхностью раздела между ними. По размерам частиц ди­сперсные системы делят на грубодисперсные и тонкодисперс­ные. При моделировании горных пород будем считать дисперс­ную систему однородной и изотропной, т. е. любые макроско­пические части породы обладают во всех направлениях оди­наковыми физическими свойствами. Гетерогенные системы под­разделяются на матричные и статистические. В матричной си­стеме присутствуют дисперсная фаза и дисперсионная среда Для статистической системы, в отличие от матричной, характер­на геометрическая равноправность фаз, т. е. понятия «диспер­сионная среда» и «дисперсная фаза» здесь не могут быть при­менены ни к скелету, ни к поровому пространству пород, за­полненному тем или иным флюидом. В статистических систе­мах при перестановке фазовых индексов в уравнениях злект ропроводиости, диэлектрической проницаемости, теплопроводно¹ сти и других не меняются их величины [52]. Это весьма важ ное положение может быть представлено символически, на пример для двухфазной системы, в следующем виде: для матричной системы

для статистической системы

где Λ₁, Λ₂, V₁, V₂— обобщенные проводимости фаз и их объемы в системе.

По размерам (и сериям) слоев различают макрослоистость (~1 м и более), мезослоистость (1 см ÷ 1 м) и микрослоистость (1 см и менее). В связи с расчетами петрофизических моделей и использованием полученных аналитических выражений для количественной интерпретации данных геофизических методов исследования скважин следует, на наш взгляд, ограничиться двумя понятиями: макро- и микрослоистостью. В этом случа под микрослоистостью (микроанизотропией) следует понимать такое чередование тонких прослоев пород различной литологии, которое не сказывается на вертикальной дифференциации кривых всех геофизических методов, а лишь обусловливает изменение амплитуды аномалии в целом [27]. Под макрослоистость (макроанизотропией) понимается такое чередование слоев пород, которое фиксируется на кривых геофизических методов в виде отдельных аномалий той или иной амплитуды.

Глинистость. В геолого-геофизической практике наиболее часто основным признаком глинистости пород является со­держание в них частиц размером менее 0,01 мм. Естественно, что понятие «глинистость», основанное только на размере ча­стиц, чисто условное и не может отражать всех физико-химиче­ских особенностей тонкодисперсной фракции. При формирова­нии понятия «глинистость» необходимо учитывать минеральный состав и характер распределения цементирующего материала с его постседиментационными преобразованиями. Изучение ми­нерального состава фракций <0,01, <0,005 и <0,001 мм пока­зывает, что более крупные фракции (<0,01 и <0,005 мм) пред­ставлены преимущественно кристаллами каолинита; в виде при­месей присутствуют железистый хлорит и гидрослюда. Во фрак­ции <0,001 мм преобладают хлорит, гидрослюда и присутствует монтмориллонит, содержание же самой фракции не превышает 20%; от фракции <0,01 мм [27]. Для характеристики степени дисперсности породы Б. Ю. Вендельштейн [10] предлагает ис­пользовать удельную адсорбционную способность породы (ем­кость обмена) без предварительной обработки породы кисло­той. Известно, что при обработке породы 10%-ной соляной кис­лотой наряду с карбонатной составляющей твердой фазы раст­воряются также и высокоактивные тонкодисперсные компонен­ты, представленные гидроокислами железа, алюминия и др. Ра­зумеется, емкость обмена более объективно отражает адсорб­ционную способность коллекторов, но здесь возможны погреш­ности, связанные с дезинтеграцией породы. Растирание образ­цов, например, приводит к резкому возрастанию емкости обме­на для глинистых минералов [27]. Размельчение пород следует осуществлять, вероятно, с помощью ультразвука.

Количественно глинистость коллекторов выражается коэф­фициентом массовой глинистости С_гл, представляющим собой отношение масс побитовой фракции и всей породы. Б. Ю. Вен­дельштейн вводит также понятие объемной и относительной глинистости [8]. Объемная глинистость k_гл — отношение объема глинистого материала ко всему объему породы с учетом объе­ма пор. Относительная глинистость η_гл характеризует степень заполнения глинистым материалом норового пространства ма­лоактивного по адсорбционным свойствам скелета.

Пленка. Между объемными фазами горной породы в ре­зультате их взаимодействия возникают поверхностные фазы в виде пленок. Теоретически и экспериментально установлено, что если вещество существует в виде пленки, то оно обладает ано­мальными физико-химическими свойствами по отношению к ве­ществу, находящемуся в объеме [18, 20, 34]. Следуя А. И. Русанову [59], пленкой будем называть в общем случае неодно­родную область, заключенную между двумя фазами, причем

протяженность промежуточной фазы (неоднородной области) направлении, перпендикулярном к поверхности раздела, намного меньше, чем в двух других направлениях. Для водо-нефте газонасыщенных гидрофильных пород схема пленки может бьть представлена следующим образом (рис. 1). В качестве объемных фазы α выступают минеральные частицы породы, фазы β— нефть (газ), γ — остаточная вода, имеющая физико-химические свойства, близкие к объемной воде или раствору (это капиллярно-удержанная вода, частично рыхло связанная вода, а также тупиковая и капельная вода). На поверхностях раздела объемных фаз образуются за счет электрических сил поверхностные фазы αγ (прочно связанная вода, обладающая аномальными физико-химическими свойствами по отношению к воде объемной) и βγ (промежуточный слой между нефтью или газом и водой). Роль поверхностного слоя βγ при выяснении петрофизических характеристик до настоящего времени должным образом не изучена. Итак, вся рассматриваемая система состоит из трех объемных и двух поверхностных фаз.

Общая толщина пленки h включает в себя однородную часть γ и поверхностные фазы αγ и βγ. Она близка к толщине h' - расстоянию между разделяющими поверхностями Гиббса. Пленка по сравнению с поверхностным слоем обладает рядом специфических особенностей: она имеет большую толщину, содержит однородную область и компоненты, отсутствующие в окружающих объемных фазах. В отличие от поверхности разрыва (по Гиббсу) пленка может существовать даже тогда, когда фазы α и β представлены одной и той же физико-химической средой. В горных породах этот случай наблюдается в водонасыщенных коллекторах и глинах. Следует различать толстые и тонкие пленки. К толстым пленкам относятся такие, у которых все экстенсивные свойства аддитивно складываются из их характеристик для внутренней γ и поверхностных αγ и βγ фаз [59]. Это означает, что толщина пленки настолько большая, что влиянием фазы α на поверхностный слой βγ и фазы β на поверхностный слой αγ и тем более влиянием α на β можно пренебречь. Для достаточно толстых пленок h≈h’; но из этoго еще не следует, что влиянием поверхностных слоев на петрофизические характеристики можно пренебречь. Установлено, например, что электропроводность водоносных, а тем более нефтегазоносных пород, содержащих глинистый материал и пласто­вую воду малой минерализации, определяется проводимостью именно поверхностных слоев. Если толщина пленки уменьшается (за счет снижения пори­стости породы, падения содержания остаточной воды в нефте­газоносном коллекторе), то возникает потенциальная энергия взаимодействия поверхностных слоев (двойных электрических слоев) и для такой пленки нарушается условие аддитивности энергии. Поэтому пленки, у которых поверхности не могут рас­сматриваться независимо, называются тонкими [59]. Отличи­тельная черта тонких пленок — непрерывное изменение физико-химических свойств по их толщине, т. е. тонкая пленка харак­теризуется интегральными значениями различных физических свойств поверхностных фаз (связанная вода).

При термодинамическом изучении пленок можно применять методы и приемы, разработанные для поверхностей разрыва. В горных породах мы рассматриваем адсорбционные пленки, относящиеся к классу «неавтономных» пленок, поскольку при отделении от адсорбента они становятся неустойчивыми. В свя­зи с тем, что состав и структура адсорбционных пленок обуслов­ливаются полем адсорбента электрической природы, их состоя­ние не может быть охарактеризовано без учета внешнего поля. Другая особенность адсорбционных пленок заключается в том, что обмен происходит между составляющими их компонента­ми и одной из контактирующих фаз.

Роль объемных фаз в процессах электропроводности, диф­фузии, теплопроводности изучена достаточно хорошо как тео­ретически, так и экспериментально. Влияние поверхностных фаз на указанные процессы выяснено для горных пород далеко не в полной мере. В водо-нефтегазоносных гидрофильных породах на поверхности раздела твердая минеральная частица — пласто­вая вода возникает тонкая пленка связанной воды.

При рассмотрении многофазных многокомпонентных систем возможны трудности, связанные с описанием поверхностных фаз, нахождением их физико-химических характеристик и тер­модинамических параметров.