Глава 2: Глинистость осадочных горных пород

Глины это связанные несцементированные ОГП с преобладанием алюмосиликатных минералов групп каолинита, смектитов, гидрослюд и хлоритов. Прочность глинистых пород обусловливается наличием молекулярных сил и сил сцепления между тончайшими глинистыми частицами (менее 0,005 мм, по другим классификациям менее 0,001 мм). К глинам относят породы, содержащие более 30% частиц с размерами зёрен менее 0,005 мм. Пластичность глины приобретают благодаря способности к смачиванию водой (гидрофильность).

Одной из наиболее важных разновидностей глинистых пород являются аргиллиты. Аргиллиты – плотные камнеподобные неразмокающие в воде горные породы, образующиеся в результате уплотнения, дегидратации и цементации глин при диагенезе и эпигенезе.

Глинистые минералы являются основой одного из наиболее распространенных типов цемента ОГП – глинистого. Отличительной особенностью глинистого цемента является значительное заполнение им порового пространства.

Вследствие гидрофильности глинистые минералы содержат значительное количество воды.

Содержание глинистых частиц в горной породе определяется глинистостью. Для количественной оценки глинистости используются:

1. Коэффициент массовой глинистости - , численно равный отношению массы глинистой фракции М_гл к полной массе жесткого скелета образца породы М:

(2.1);

2.Коэффициент объемной глинистости - , численно равный отношению объема глинистого материала (объема глинистых частиц и прочно связанной с ними водой) в образце к объему образца:

(2.2),

где V_гл объем глинистой фракции в образце породы.

3. Коэффициент относительной глинистости - . Относительная глинистость - это отношение объема V_с.гл сухого глинистого компонента к сумме объемов V_пор пор породы и V_с.гл сухого глинистого компонента заполняющего поровое пространство. Коэффициент относительной глинистости показывает степень заполнения глинистым материалом пор неактивного скелета и определяется выражением:

(2.3)

Если считать, что минералогические плотности вещества скелетной (не глинистой) и глинистой фракций равны, то для терригенных пород коэффициенты объёмной и массовой глинистости связаны выражениями:

или

_{Для ОГП с глинистым цементом коэффициент пористости определится выражением:}

(2.4),

где пористость скелета породы без учёта глинистого цемента; - открытая пористость.

Увеличение глинистого и другого по вещественному составу цементирующего материала снижает пористость пород.

Контрольные вопросы:

1. Какие группы минералов относятся к глинистым?

2. Каковы отличительные особенности глинистого цемента?

3. Назовите коэффициенты, характеризующие глинистость горной породы.

Глава 3: Флюидонасыщенность горных пород

Поровое пространство горных пород может быть заполнено различными флюидами - нефтью, водой, газом, а также совокупностью этих компонентов.

3.1 Водонасыщение горных пород

Наличие воды в горных породах определяется параметром влажности, а способность пород удерживать в себе то или иное количество воды в определенных условиях — влагоемкостью. Вода в горных породах может находиться как в открытом, так и в закрытом пустотном пространстве, а также быть составной частью скелета породы.

Породы, твердая фаза которых смачивается водой относятся к гидрофильны. Если твёрдая фаза не смачивается водой, то такая порода является гидрофобной.

Вода, содержащаяся в породах, в зависимости от характера ее взаимодействия с твердыми частицами имеет различное состояние и подразделяется на две основные категории: связанную и свободную.

Содержание связанной воды в породах обусловлено химическими и физико-химическими (адсорбционными) процессами. В связи с этим различают химически, абсорбционно, а также физически связанную воду.

К химически относится вода кристаллизационная и конституционная. Кристаллизационная вода входит наряду с другими молекулами и ионами в кристаллическую решетку некоторых минералов (гипс СаSО₄×2Н₂О, эпсомит МgSО₄×7Н₂О и др.) и, как правило, удаляется из них при температурах более 110°С. Исключение составляют мирабилит и некоторые другие минералы, из которых кристаллизационная вода удаляется при нормальной температуре воздуха.

Конституционная вода образуется при нагревании ряда минералов из входящих в их кристаллическую решетку гидроксильных ионов ОН^-, Н⁺, Н₃О⁺ и часто называется гидроксильной. Среди минералов, в которых синтезируется конституционная вода, можно отметить гидраргиллит А1(ОН)₃, тальк Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂, монтмориллонит (Al, Mg)₂[Si₄O₁₀](OH)₂·4H₂O и др.

В осадочных породах конституционная вода преимущественно образуется за счет глинистых минералов, особенно таких, как аллофан, каолинит и монтмориллонит. Синтез гидроксильной воды и ее удаление из различных минералов обычно происходят при температурах от 110 до 1300 °С.

Химически связанная вода (кристаллизационная и конституционная) практически не оказывает влияния на физические свойства пород, за исключением нейтронных.

Адсорбция - это физико-химический процесс поглощения веществ из раствора или газа твёрдыми телами или жидкостями.

В этом случае поглощённые частицы удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-ваальсовыми силами).

Ван-дер-ваальсовые силы – это силы притяжения между незаряженными атомами или молекулами. Этими силами определяются поверхностные явления (адсорбция) и само существование жидкостей и молекулярных кристаллов.

Слои воды, находящиеся на разном расстоянии от поверхности твердых частиц или поровых каналов, отличаются по своему физическому состоянию и химическому составу (рис. 3).

Действие электрического поля вокруг твердой дисперсионной частицы гидрофильной породы приводит к образованию ориентированного и прочно адсорбированного слоя связанной воды. В зависимости от заряда твердой поверхности, молекулы воды ориентируются отрицательными или положительными зарядами к поверхности, образуя двойной электрический слой называемый слоем Гельмгольца.

Адсорбированная вода подразделяется на прочно- и рыхло связанную. Прочно связанная вода удерживается на поверхности твердых частиц Ван-дер-ваальсовыми силами притяжения, достигающими десятков тысяч атмосфер. Это обусловливает возможность её передвижения только при переходе в парообразное состояние.

Рыхло связанная вода образуется на поверхности частиц породы поверх прочно связанной воды. Молекулы этой воды удерживаются у твердой фазы пород менее прочно силами Ван-дер-Ваальса и силами поля ориентированных молекул прочно связанной воды, образуя гидратные оболочки обменных катионов.

Содержание связанной воды в породе определяется минеральным составом и степенью дисперсности (удельной поверхностью) ее твердой фазы. Величина последней в значительной мере зависит от глинистости породы, так как она обладает наибольшей адсорбционной способностью. В связи с этим для преимущественно глинистых пород характерно и большее содержание связанной воды.

К физически связанной воде можно отнести воду, удерживаемую капиллярными силами. Капиллярно-удерживаемая вода характерна для пор, радиус которых составляет 50-500 нм, а также углов поровых каналов, приурочиваемых к стыкам между зёрнами скелета породы и тупиковых пор. Капиллярно-удерживаемая вода не отличается от свободной по своим свойствам. В порах указанного размера (субкапиллярах) её удерживает капиллярное давление.

Для гидрофильных межзерновых коллекторов нефти в качестве верхней границы радиуса пор, содержащих капиллярно-удерживаемую воду, принимается 0,5-1 мкм, для газовых 0,1-0,2 мкм.

К свободной (подвижной или извлекаемой) воде относят воду, которая способна передвигаться в порах и пустотах пород под действием гравитационных сил или напора.

Содержание связанной воды определяется удельной поверхностью твёрдой фазы и её минеральным составом. Наибольший объём этой воды приходится на глинистые частицы. Эта вода набухания глинистых частиц рассматривается как единое целое с пластичной компонентой твёрдоё фазы. Для учёта содержания связанной воды в глинах по отношению к объёму порового пространства коллектора используется коэффициент набухания Kв.наб.

Содержание связанной воды в поровом пространстве пород-коллекторов количественно оценивается коэффициентом связанной водонасыщенности:

(3.1)

— объем связанной воды, соответствующий доле объёма пор, занятого связанной водой; — общий объём пор породы.

Рис.3. Схема распределения воды в капиллярах почвы [3]

1 - стенки капилляров, 2 - ионы, 3- молекулы воды, 4 - свободная вода .

Связанная и условно подвижная вода обусловливает остаточную водонасыщенность, характеризуемую коэффициентом остаточного водонасыщения.

Количество подвижной (извлекаемой) воды в породах-коллекторах оценивается коэффициентом подвижной водонасыщенности :

(3.2),

а общее содержание воды в поровом пространстве — коэффициентом водонасыщенности

(3.3).

В практике изучения нефтеносных коллекторов иногда оперируют с коэффициентом s_B относительного содержания подвижной воды в части порового пространства, не заполненного связанной водой [11] . При отсутствии неподвижной нефти

Содержание подвижной и условно подвижной воды (в случае, если она может перемещаться по поровому пространству при созданных условиях работы пласта) рассматривается совместно и характеризуется коэффициентом эффективной водонасыщенности

(3.4).