Глава 1. Характеристики порового пространства горных пород.

Поры горных пород могут быть различными по происхождению, форме, размерам и внутренним взаимосвязям.

По своей форме пустотное (поровое) пространство между зёрнами породы (скелетом породы) может быть крайне разнообразным: относительно ромбоидальным и тетраэдрическим, щелевидным, каверновидным, трещиновидным, каналовидным, пузырчатым и т.д. Примеры наиболее часто встречающихся типов пористости пород представлены на рисунке 1.

Формы и размеры отдельных пустот, характер их распределения и соотношение объёмов пустот различных размеров, их взаимосвязи, извилистость и удельная внутренняя поверхность поровых каналов определяют структуру порового пространства породы.

Поровое пространство может быть представлено порами, трещинами и кавернами. По генезису трещины и каверны относятся к пустотному пространству вторичного происхождения, то есть образовавшихся после формирования горной породы под действием высоких давлений, температур, выщелачивания и других причин.

Поры – пустоты более или менее округлой формы.

Трещины - разрывы в горных породах, перемещения отдельных частей которых относительно друг друга, либо совершенно отсутствуют, либо имеют незначительную величину.

Каверны - пустоты в горных породах размерами более 1 мм.

Поры по своим размерам подразделяются на [15,3,11] сверхкапиллярные, капиллярные и субкапиллярные. К сверхкапиллярным относятся поры радиусом от 0,1 мм и выше. Движение жидкостей и газов в них происходит под действием силы тяжести или напора по обычным для трубчатого канала законам гидродинамики.

В частности, для них справедливо уравнение Бернулли, согласно которому вдоль струйки жидкости имеет место, следующее соотношение между давлением р, скоростью v течения жидкости (с плотностью r) и высотой z над плоскостью отсчёта:

,

где g – ускорение свободного падения.

Рисунок 1. Породы с различными типами порового пространства.

Межзерновая пористость: а — с хорошо отсортированными зернами, б — с хорошо отсортированными зернами и цементирующим веществом в промежутках между ними. в — с поровым рассеянным глинистым цементом; г — трещинно-каверновая, д — трещинная;

1 — зерна; 2 — глинистые частицы; 3 — цементирующий материал; 4 — блоковая часть породы

Капиллярные поры имеют просвет от 0,0002 до 0,1 мм. Движение жидкостей и газов в них осуществляется при участии капиллярных сил и возможно лишь тогда, когда силы тяжести и напора значительно превосходят силы молекулярного взаимодействия между фильтрующимся флюидом и поверхностью канала фильтрации. Движение жидкости в таких средах осуществляется по законам фильтрации и подчиняется эмпирическому закону Дарси: скорость потока жидкости пропорциональна градиенту давления.

Субкапиллярные поры имеют просвет от 0,0002 до 0,000002 мм. Вследствие малого расстояния между стенками субкапиллярных каналов жидкость в них находится в сфере действия поверхностных молекулярных сил и при градиентах давлений, наблюдаемых в природе, перемещаться не может. Породы, имеющие в основном субкапиллярные поровые каналы, не являются коллекторами (глины, глинистые сланцы, сильно глинистые разности терригенных пород и др.).

Выделяют ещё более малые по размерам (тонкие) микропоры с диаметром менее 2×10^-6 мм. Они встречаются у некоторых природных цеолитов.

Трещинная пористость классифицируется по раскрытости трещин [15,3,11]. Трещины считаются сверхкапилярными, если ширина их раскрытости больше 0,25 мм, капиллярными при ширине от 0,0001 до 0,25 мм и субкапиллярными, при ширине меньше 0,0001 мм. Иногда выделяют макротрещины и микротрещины. Первые имеют раскрытость более 0,1 мм, а вторые от 0,01 до 0,1 мм.

Одна и та же порода может содержать поры различных размеров. Их соотношение и распределение по объему в ОГП зависит от степени сортировки, плотности укладки и формы частиц.

Физической величиной, характеризующей пустотное пространство горной породы, является пористость и коэффициент пористости.

Пористость, это важная характеристика пустотного пространства горной породы, которая определяется объёмом всех сингенетических (первичных) и эпигенетических (вторичных) пустот.

Под пористостью горной породы понимается совокупность пустотного пространства между частицами ее твердой фазы в абсолютно сухом состоянии.

Коэффициент пористости – это параметр равный отношению объёма пустотного пространства ко всему объёму породы, выраженный в процентах.

Общая (абсолютная) пористость породы равна суммарному объему всех пустот независимо от их формы, величины и взаимного расположения.

Коэффициент общей пористости численно равен отношению объема порового пространства V_пор к объему образца породы и выражается в долях единицы или процентах:

(1.1)

где — общий объем пор в образце породы; - объём породы.

Пустоты в горных породах могут быть как взаимосвязанными, так и изолированными. Первые соответствуют открытой, а вторые — закрытой частям порового пространства породы.

Открытая пористость (насыщенная) - совокупность сообщающихся между собой пор и пустот, в пределах которых возможно движение жидкости или газа, при определенном давлении и температуре.

Коэффициент открытой пористости:

(1.2),

где - объем открытых пор в образце породы; - объём породы.

Закрытая пористость (отрицательная, замкнутая) - совокупность замкнутых, не имеющих между собой сообщения, пустот. Она определяется разностью между абсолютной и открытой пористостью. Коэффициент закрытой пористости:

(1.3),

где - объем закрытых пор в образце породы; - объём породы.

Статическая (полезная) емкость пород-коллекторов. Определяется объемом порового пространства, которые могут быть заняты нефтью или газом. В ОГП часть пустотного пространства может быть заполнено водой удерживаемой Ван-дер-Ваальсовыми силами притяжения, достигающими десятков тысяч атмосфер (прочно связанная вода). Вследствие этого статическая ёмкость ОГП будет меньше объёма порового пространства. Величина статической ёмкости пород характеризуется коэффициентом эффективной статической пористости:

(1.4) или (1.5),

где — объем порового пространства, занятый связанной водой, — коэффициент связанной водонасыщенности, - коэффициент открытой пористости.

Коэффициент эффективной пористости является основным для проведения различных инженерных расчётов.

Динамическую пористость горных пород - объём пор, через которые при определенном давлении и температуре происходит движение насыщающих жидкостей или газов. Этот показатель всегда меньше значения общей пористости.

Пласты –коллектора в общем случае слагаются из ОГП обладающих различной пористостью. Для оценки порового пространства пласта-коллектора при подсчете запасов нефти и газа используется средневзвешенное значение коэффициента пористости, рассчитываемое по формуле:

(1.6)

где — соответственно коэффициент пористости, толщина, площадь распространения ОГП в плане, слагающих интервалы пласта-коллектора.

Пустотное пространство обусловленное трещинами характеризуется параметром трещиноватости m_т - характеристика горных пород, отражающая количество и качество (форму, ориентировку и пр.) трещин в единице объема.

Для характеристики пустотного пространства трещин используется коэффициент трещинной пористости, который определяется отношением объёма занимаемого трещинным пространством V_т к полному объёму V_обр образца ОГП:

(1.7).

Аналогично определяется и коэффициент кавернозной пористости .

Трещины и каверны являются порами вторичного происхождения. Коэффициент вторичной пористости для такой породы:

(1.8)

Горные породы, содержащие поры (межзерновая или гранулярная (матричная) пористость), трещины и каверны относятся к сложному типу коллекторов.

Суммарный коэффициент пористости в таких породах определится:

(1.9),

где коэффициент вторичной пористости:

.

В зависимости от преобладающего типа пористости выделяют породы с межзерновой пористостью (поровые), трещиноватые, кавернозные или порово-кавернозно-трещиноватые (смешанные).

Величина пористости ОГП зависит от формы и размера породообразующих частиц, степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности. Теоретически коэффициенты пористости могут изменяться от 0 до 100%, но в реальных горных породах коэффициент пористости не превышает 50%[14] Породы с низкой открытой пористостью (меньше 5 %) при отсутствии трещин и каверн обычно не являются промышленными коллекторами. Породы с пониженной открытой пористостью характеризуются = 5 - 10 %. Для большинства пород-коллеторов открытая пористость = 10 - 15 % . Породы-коллекторы с = 15 - 20 % относят породы-коллекторы с повышенной пористостью. Высокопористыми считаются породы с >20 %.

Поверхность порового пространства. Поверхность порового пространства пород — это поверхность, отделяющая твердую фазу пород от всех остальных. Свойство пород иметь разную поверхность порового пространства оценивается удельной поверхностью — объемной S_V и массовой S_m. Первая ограничивает поровое пространство единицы объема, а вторая — единицы массы породы:

(1.10),

где S_порVс и S_пop.mс — поверхности порового пространства в объеме Vc и массе m_c породы. Удельная поверхность S_V измеряется в м²/м³ (или м^-1), либо в см²/см³ (или см^-1), a Sm — в м²/кг и чаще в м²/г.

Удельная поверхность ОГП зависит от минерального и гранулометрического составов, формы зерен, содержания и типа цемента. Она уменьшается с увеличением среднего диаметра зерен и снижением содержания глинистого цемента.

Значения S находится в зависимости от термобарических условий, которые чем значительнее, тем меньше обычно удельная поверхность пор.

Наибольшую удельную поверхность имеют природные адсорбенты: глины, трепелы, отдельные разновидности бокситов, туфовые пеплы и некоторые другие породы аналогичного типа.

Средний гидродинамический эффективный радиус пор – средний радиус эффективных пор, по которым происходит течение жидкости и газов.

Параметр определяется лабораторным способом.

Для заданного давления p_{k I} минимальный радиус капилляра, в который проникает нагнетаемая жидкость для образца горной породы определится из выражения [11] :

где σ – поверхностное натяжение, θ – угол смачивания.

При лабораторных исследованиях определение эффективного радиуса пор выполняется с использованием ртути. Для ртути .

Если известен объём ртути, вошедшей в образец при изменении давления от р_i до р_i+1 и объём открытых пор образца, то можно рассчитать доли объёма пор (Vi/Vп.о.) которые приходяися на каналы со средними величинами радиусов, изменяющимися от r_k до r_k+1. По результатам замеров выполняется построение кривой распределения объёма порового пространства, занимаемого каналами различного радиуса.

Удельная поверхность порового пространства и средний эффективный радиус пор во многих случаях связан с другими характеристиками (влажность, сопротивление и т.д.). Удельная поверхность, средний гидродинамический эффективный радиус пор, а также связанная с ними величина характеризующая структуру и адсорбционную способность поровых пространств пород позволяют выделять их структурные типы и типы адсорбентов.

Гидравлическая извилистость Т параметр, определяемый отношением среднестатистической длины поровых каналов к длине образца.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение пористости горной породы.

2. Какова классификация пор по размерам?

3. Что такое трещинная пористость?

4. Какой физической величиной характеризуется пористость?

5. Дайте определение общей пористости.

6. Дайте определение открытой пористости.

7. Дайте определение закрытой пористости.

8. Дайте определение динамической пористости.

9. Какой физической величиной оценивается трещинная пористость?

10. Какова морфологическая классификация порового пространства?