vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Измерения пористости
Измерения, необходимые для вычисления пористости, производятся в лаборатории на небольших кусочках, вырезанных из керна, либо на шламе. К настоящему времени разработано и описано большое число методов быстрого и точного определения пористости [4]. Применяется также несколько качественных методов оценки пористости,
дополняющих различные виды анализа кернового материала или заменяющих последние,
когда они невозможны. Ниже приводится их краткое описание.
Электрокаротаж. Этот метод заключается в измерении (в милливольтах)
естественного электрического потенциала пород (спонтанного потенциала, или ПС).
Низкие значения потенциала устанавливаются против непроницаемых пластов, тогда как более высокие значения - против пористых (проницаемых) слоев (см. стр. 83-87: глава 3,
электрический каротаж, А.Ф.).
Радиоактивный каротаж. С помощью гамма-каротажа измеряют естественное гамма-излучение пройденных скважиной пород, а с помощью другой разновидности радиоактивного каротажа - нейтронного каротажа - измеряют гамма-излучение из пород,
возбуждаемое действием нейтронов (см. стр. 87-89: глава 3, радиоактивный каротаж,
А.Ф.). Нейтронный каротаж фиксирует прежде всего содержание в пласте водорода и,
следовательно, указывает на присутствие в толще пород флюидов, таких, как газ, нефть и вода. Наличие же последних свидетельствует о том, что породы обладают пористостью.
Гамма-каротаж и нейтронный каротаж широко используются для выявления пористости известняковых и доломитовых коллекторов.
Другие виды каротажа. Очень полезны для определения пористости пород-
коллекторов микрокаротаж и акустический каротаж. Качественную характеристику пористых зон позволяет выявить и кавернометрия, а в совокупности с другими видами каротажа она дает возможность произвести даже количественное определение пористости.
Исследование шлама под микроскопом. В случае отсутствия керна очень часто единственным способом непосредственного наблюдения пористости является изучение под бинокулярным микроскопом кусочков бурового шлама. Нефть, насыщающая мельчайшие пустоты, может быть обнаружена благодаря ее флуоресценции под ультрафиолетовыми лучами. Опытный микроскопист может быстро определить характер пористости и дать качественную оценку ее относительной величины, используя такие термины, как «непроницаемый», «плотный», «пустоты», «точечная пористость», «пористый», «кавернозный», «межкристаллическая», «межзерновая». Отсутствие в породе пор, видимых в микроскоп, обычно свидетельствует о том, что породы имеют слишком
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
низкую пористость, чтобы содержать значительные количества нефти.
Малый объем порового пространства коллектора, как может быть установлено под микроскопом, обусловливается различными факторами: порода может быть, например,
плотным тонкокристаллическим литографским известняком или доломитом; она может состоять из мелких и очень мелких песчаных частиц; содержать большое количество глинистых частиц, слагающих основную массу или образующих оболочки на песчаных зернах; содержать большое количество цемента; поровое пространство породы может быть занято в значительной степени каким-либо веществом, попавшим в поры под давлением [5].
Механический каротаж. Неожиданное увеличение значений проходки на диаграмме механического каротажа, обусловленное резким повышением скорости бурения с «проваливанием» бурового инструмента, часто свидетельствует о вскрытии толщи пористых пород. Чем больше пор содержит порода, тем меньшей плотностью она обладает и легче поддается разбуриванию. Подобные изменения скорости проходки часто рассматриваются как указание на наличие продуктивного пласта и служит сигналом для начала отбора керна с целью определения характера пород.
Неполное извлечение керна. Керн, извлекаемый при вращательном бурении обычным колонковым буром, может оказаться короче соответствующего интервала его отбора. Очень часто эта неполнота извлечения керна обусловливается трещиноватостью,
пористостью и несцементированностью породы-коллектора, вследствие чего последняя не полностью захватывается колонкой и частично выносится на поверхность в виде бурового шлама. Тот факт, что зоны неполного извлечения керна могут соответствовать толщам пород с аномально высокой пористостью, объясняет существование эмпирического правила: «Керн не извлекается - хорошая скважина».
Конечно, никогда нельзя сказать с уверенностью, действительно ли плохой вынос керна указывает на высокую пористость пород соответствующего интервала разреза,
однако определенную помощь в решении этого вопроса могут оказать данные механического каротажа, поскольку пористые породы бурятся быстрее, чем плотные.
Появление алмазных колонковых долот сделало возможным почти стопроцентный вынос керна; поэтому их применение обычно позволяет производить непрерывную регистрацию изменений пористости вскрываемых скважиной пород по керну.
Проницаемость
Проницаемость - это свойство породы, характеризующее возможность перемещения флюидов через сообщающиеся поры (эффективную пористость) без
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
нарушения и смещения слагающих ее частиц; иными словами, проницаемость служит мерой флюидной проводимости породы и, очевидно, является наиболее важным параметром коллектора. В геологии нефти и газа проницаемость трактуется не как абсолютная, а как относительная величина; порода называется проницаемой, если за короткое время (например, в течение часа) она может пропустить заметное количество флюидов, и непроницаемой, если скорость фильтрации в ней ничтожна. Однако следует признать, что в масштабе геологического времени и по отношению к газам и жидкостям с малой вязкостью почти все породы обладают некоторой проницаемостью.
Единица измерения проницаемости пород в системе CGS была названа дарси, по имени Анри Дарси [6], который в 1856 г. исследовал фильтрацию жидкостей в пористой среде. Закон Дарси выражается уравнением
где q - объемный расход жидкости (в единицу времени) в см3/сек при горизонтальном течении, k - постоянная проницаемости в дарси, А - площадь поперечного сечения в см2, µ - вязкость жидкости в сантипуазах и dp/dx - гидравлический градиент, или разница в давлении (р) в направлении течения (х), в атм/см. Это уравнение полностью характеризует вязкое или ламинарное течение гомогенных флюидов в пористых средах с однородной упаковкой частиц и постоянным поперечным сечением¹. Таким образом, при заданном значении к скорость фильтрации флюидов через блок пористой породы прямо пропорциональна перепаду давления, а также площади поперечного сечения блока и обратно пропорциональна вязкости флюидов протяженности пути фильтрации.
Американский нефтяной институт дает следующее произвольное определение единицы дарси в системе CGS: «Пористая среда обладает проницаемостью в 1 дарси, если однофазный флюид с вязкостью в 1 сантипуаз, полностью насыщающий пустоты среды,
фильтруется через нее в условиях вязкого течения со скоростью 1 см/сек при площади поперечного сечения среды 1 см2 и при давлении или соответствующем гидравлическом градиентом 1 атм/см (76,0 см ртутного столба)» [7]. В «условиях вязкого течения» скорость потока настолько низка, что становится прямо пропорциональной гидравлическому градиенту. Дарси является коэффициентом пропорциональности между этими величинами, а определенное числовое значение проницаемости – свойством и характерной особенностью только пропускающей
¹Турбулентное течение в породах-коллекторах не представляет интереса. Строгая формулировка закона Дарси требует учета ускорения силы тяжести и направления. Читатель, желающий более подробно ознакомиться с обстоятельствами установления и ограничениями применимости закона Дарси, отсылается к работам Хьюберта (Hubert, Journ., Geol. 48, pp. 787-826,
1940) и Маскета (Мuskat, Physicalles Principles of Oil Production, McGraw-Hill Book Co., New York,
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
pp. 123-131, 1949).
флюид среды, но не самого флюида.
Проницаемость средних пород-коллекторов колеблется в пределах 5-1000
миллидарси. Чтобы получить представление о том, что такое один дарси, рассмотрим кубический блок песка с длиной стороны в 1 фут. Если песок будет иметь проницаемость в 1 дарси (1000 миллидарси), то этот кубический блок песка за сутки и при перепаде давления в 1 фунт (0,45 кг) должен пропускать около 1 барреля (160 л) нефти. В
промышленных количествах нефть и газ иногда получают и из пород, проницаемость которых не превышает 0,1 миллидарси, однако в таком случае эти породы, очевидно,
должны обладать высокопроницаемыми системами трещин, которые не могут быть обнаружены стандартными методами лабораторных анализов. В средних коллекторах проницаемость вместе с пористостью претерпевает сильные изменения, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Типичные примеры большинства подобных коллекторов (из Чили и Техаса) показаны на фиг. 4-3 и 4-4. Порода-коллектор,
проницаемость которой не превышает 5 миллидарси, называется непроницаемым песком или плотным известняком в зависимости от ее состава. Ниже приводится грубая полевая оценка проницаемости (в миллидарси):
Средняя……………………….1,0-10
Хорошая………………………10-100
Очень хорошая……………….100-1000
Некоторые характерные значения пористости и проницаемости коллекторов нефтяных залежей сведены в табл. 4-1.
Измерения проницаемости
Проницаемость пород-коллекторов определяется обычно в лабораторных условиях посредством исследования образцов или кусочков керна в пермеаметре. Пермеаметры разных систем различаются в деталях конструкции, но все они обычно состоят из кернодержателя, насоса для нагнетания флюида через керн, манометров для измерения перепада давления в керне и расходомера для измерения скорости прохождения флюида через керн. Лабораторные методы стандартизованы, поэтому все измерения можно проводить быстро и с достаточной точностью для решения проблем, связанных с коллектором. Для испытаний, как правило, используют цилиндрические образцы керна диаметром 2 см и длиной 2-3 см1. Разработано и описано несколько таких методов [8].
При измерении проницаемости коллекторов применяют обычно воздух или сухой
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
газ при минимальном давлении, обеспечивающем наименьшую поддающуюся определению скорость течения флюида; если давление вызовет турбулентное течение флюида в породе, измерения будут чреваты серьезными погрешностями. Чаще всего в качестве эталона используют воздух, поскольку он слабо или вообще не реагирует с веществом породы и не вызывает каких-либо систематических изменений ее проницаемости². Кроме того, измерения проницаемости пород с применением воздуха легко сравнимы между собой. Установлено, однако, что воздухопроницаемость образца породы-коллектора в лабораторных условиях не всегда соответствует ее проницаемости в отношении нефти, газа и минерализованной воды в пластовых условиях. Повышение значений проницаемости при определении ее с помощью воздуха по отношению к проницаемости, измеренной с помощью пластовых флюидов, вызывают следующие факторы:
¹В СССР в качестве стандартных для определения проницаемости приняты следующие размеры образцов: диаметр 3 см, длина 5 см. - Прим. ред.
²Еще лучше применять нейтральный азот. - Прим. ред.
Перед проведением измерений проницаемости образец породы высушивается и полностью освобождается от присутствующих в нем газа, нефти и воды. Поскольку коллекторы в большинстве своем гидрофильны (т.е. каждая частица породы обволакивается тонкой пленкой пластовой воды), воздухопроницаемость сухого образца будет отличаться от газо- и нефтепроницаемости смоченного водой образца.
1. Породы-коллекторы почти всегда содержат некоторое количество глинистых минералов, многие из которых химически неустойчивы. Некоторые из них,
особенно монтмориллонит, поглощают воду и разбухают (причем степень разбухания зависит от свойств воды). В связи с тем что при лабораторной обработке вода из образцов пород удаляется, глинистые минералы могут либо лишиться содержащейся в них воды,
либо и вовсе распасться на более мелкие частицы, а любое из этих изменений глинистых минералов отражается на результатах измерения проницаемости пород. Коллоидный глинистый материал породы-коллектора после сушки и очистки образца от нефти может утратить связанность и стать рыхлым. Поэтому он может забить мелкие поры породы; во всяком случае, структура порового пространства изменится по сравнению с ее характеристикой в пластовых условиях.
Если планируется заполнение коллекторов водой, как, например, в случае заводнения при применении методов вторичной разработки, желательно провести специальные измерения проницаемости пород с использованием той же самой воды,
которую предполагается закачивать в пласт. Полученные при этом значения будут
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
отражать водопроницаемость пород, которая обычно ниже их воздухопроницаемости.
Эффективность и успешность работ по вторичной добыче нефти с нагнетанием воды в пласт в целях вытеснения или вымывания нефти из пор зависит в большой степени от свойств применяемой» воды, которая не должна вызывать разбухания глинистых частиц в породе.
3.Неполное высушивание керна может быть причиной частичного захвата породой воздуха (эффект Жамэна). Поэтому сопротивление фильтрации значительно возрастает, когда в капиллярных каналах газовые пузырьки будут перемешиваться с капельками жидкости, например, пузырьки воздуха и капельки воды или пузырьки газа и капельки нефти [9]. В связи с этим, если при определении проницаемости пород применяется жидкость, весь газ и воздух должны быть удалены из исследуемого образца с особой тщательностью; в противном случае значения проницаемости будут сильно занижены.
4.Проницаемость не зависит от типа флюида, фильтрующегося через породу,
так же как и от величины перепада давления. Однако газопроницаемость пород выше их проницаемости для жидкостей, что, вероятно, в значительной мере объясняется проскальзыванием пузырьков газа вдоль стенок сообщающихся пустот (чего не отмечается для жидкостей). С ростом давления уменьшается объем воздуха или любого другого газа, испольуемых для измерения проницаемости и, следовательно, сильно уменьшается редний свободный пробег газовых молекул, пока при достаточно высоких давлениях газ не становится почти тождественным жидкости. Для определения поправки на это различие между воздухом и жидкостью Клинкенберг предложил специальную шкалу [10]. Она основана на представлении о том, что газопроницаемость является функцией среднего свободного про газовых молекул, т.е. газопроницаемость зависит от таких факторов, ратура. давление и состав газа. Давление является наиболее главным из них. Низкое давление обусловливает максимальную величину среднего свободного пробега молекул и, кроме того, наибольшую их к проскальзыванию. Поправку на проницаемость Клинкенберг по определить путем измерения воздухопроницаемости при нескольких различных значениях давления и экстраполяции получаемой кривой до бесконечно высокого давления, при котором воздухопроницаемость приближается к проницаемости для жидкостей. Проницаемость по Клинкенбергу, эквивалентная воздухопроницаемости, в «плотных» песках (проницаемость менее 1 миллидарси) может возрасти на 100 %: эта поправка приближается к нулю для пород высокой проницаемости.
Таким образом, поправочный коэффициент проницаемости Клинкенберга применяется для определения ошибки измерения, которая возникает в результате проскальзывания газа
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
низкого давления при его использовании. Эта зависимость на бумаге с двойной логарифмической сеткой выражается прямой линией.
Обычно проницаемость измеряется в направлении, параллельном поверхностям напластования породы-коллектора. По направлению этой горизонтальной, или латеральной, проницаемости и происходит основная фильтрация флюидов в скважину.
Часто измеряют также проницаемость в направлении, поперечном по отношению к поверхностям напластования, или вертикальную проницаемость, которая обычно меньше горизонтальной1. Высокая проницаемость поперек слоистости может явиться причиной просачивания воды снизу или проскальзывания газа сверху вниз; в результате этого изменяется относительная насыщенность пласта у ствола скважины, что отрицательно сказывается на ее продуктивности.
Причиной более высокой горизонтальной проницаемости по отношению к вертикальной является в значительной степени характер расположения и упаковки слагающих породу частиц, который возникает в процессе седиментации. Поскольку плоские зерна стремятся располагаться и перекрывать друг друга параллельно поверхностям наслоения, растворы наиболее свободно движутся в этом направлении, и,
растворяя минеральные частицы породы, эти жидкости повышают горизонтальную проницаемость породы. Незначительные отдельности внутри пласта и слоистость,
связанная с изменениями размера частиц, гораздо чаще располагаются параллельно наслоению, чем поперек его, так что эти явления также способствуют увеличению горизонтальной проницаемости по сравнению с вертикальной. Следует отметить, что те значения, которые мы получаем обычно при лабораторных исследованиях, характеризуют именно проницаемость параллельно напластованию. Однако, если пласт-коллектор имеет крутое или вертикальное падение, направление повышенной проницаемости может быть почти параллельным стволу скважины.
Высокая вертикальная проницаемость связана в основном с наличием трещин и процессами растворения вдоль них, а также с существованием поверхностей отдельности,
ориентированных поперек слоистости. Она чаще всего встречается в карбонатных и других хрупких породах, а также свойственна кластическим породам с высоким содержанием растворимого материала. Ее можно обнаружить, кроме того, в неплотно упакованных или несцементированных песчаных породах.
Если отобрано и исследовано достаточное количество керна, с помощью стандартных лабораторных методов можно получить все необходимые сведения о проницаемости
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
пород, причем точность измерений будет удовлетворять требованиям, возникающим при решении самых различных задач - геологических, технологических и промысловых.
Полевые методы определения проницаемости, хотя и уступают в точности лабораторным,
все же чрезвычайно полезны, а часто предоставляют единственно возможные данные о проницаемости тех или иных пород.
¹Отождествлять проницаемость вдоль слоистости с горизонтальной можно лишь в случае небольших углов падения пород. - Прим. ред.
1. Если во вскрытом пласте содержится так много свободной воды, что она начинает поступать в ствол скважины, разжижая буровой раствор при вращательном бурении или частично заполняя скважину при канатном, это указывает на то, что пласт проницаем. Скорость, с которой вода поступает в ствол скважины канатного бурения,
дает даже лучшее представление об общей проницаемости вскрываемых пород, чем лабораторное исследование керна.
2.При вращательном бурении глинистый раствор закачивают в ствол скважины по квадратной бурильной трубе, и через коронку долота он поступает к забою, а
затем вместе с шламом вновь выносится на поверхность по кольцевому пространству между бурильной трубой и стенкой скважины. Если глинистый раствор не возвращается к устью скважины или выносится не полностью, говорят о потере его циркуляции в скважине. Это означает, что раствор уходит из ствола скважины в пласт, который должен обладать высокой проницаемостью и давлением, меньшим по сравнению с гидростатическим давлением бурового раствора в скважине.
3.Внезапное увеличение скорости проходки указывает на вскрытие скважиной менее твердых пород; это может означать, что долото вошло в пласт, обладающий высокой пористостью, а возможно, и проницаемостью.
4.Одним из лучших способов измерения общей, или суммарной,
проницаемости пласта являются испытания его продуктивности, при которых выясняется зависимость между производительностью скважины и снижением давления на забое. Если проницаемость пород высока, то скорость снижения давления на забое скважины при увеличении скорости добычи будет незначительной, при низкой же проницаемости снижение забойного давления с увеличением скорости добычи будет гораздо более интенсивным. Весьма показательна также скорость восстановления пластового давления после проведения испытаний, ибо она позволяет судить об объеме системы потом.
является ли система изолированной или открытой. Испытания пласта при полностью открытых задвижках скважины с целью определения свободного дебита являются стандартной процедурой, когда для точных подсчетов запасов нефти и газа в пласте и его