Глава 5: Водородосодержание

Общее содержание водорода в породе оценивается водородным индексом, который равен отношению объемной концентрации атома водорода в данной среде к его концентрации в пресной воде при нормальных условиях. В горных породах эту величину именуют эквивалентной влажностью w.

Таким образом, водородный индекс для пресной воды w_в = 1. Объемная атомная концентрация водорода в нефтях близка к характеристике воды. Поэтому эквивалентная влажность нефти w_н≈w_в = 1.

Водородный индекс чистых, не содержащих химически связанной воды пород, насыщенных водой или нефтью с водой определится их пористостью:

(5.1)

то есть водородный индекс (эквивалентная влажность) таких пород численно равен их пористости.

В горных породах , скелет которых содержит кристаллизационную w_св (химически связанную) воду :

(5.3).

За счет низкой плотности газа по сравнению с водой и нефтью w_г<w_н≈w_в, эквивалентная влажность газонасыщенных коллекторов меньше, чем водо- и нефтенасыщенных. Поэтому, для горных пород, в составе которых есть нефть, газ и вода водородный индекс определится выражением :

(5.2)

Контрольные вопросы.

1. Каким параметром оценивается общее содержание водорода в породе?

2. Что такое эквивалентная влажность?

Глава 6: Проницаемость

Свойство пород пропускать через себя жидкость, газы и их смеси при перепаде давлений называется проницаемостью. Проницаемость является мерой фильтрационной проводимости породы.

Почти все осадочные породы с гранулярной (первичной) пористостью обладают проницаемостью. Лучшей проницаемостью обладают песчано-алевритовые породы (пески, песчаники, алевролиты и др.). Тонкодисперсные породы, имеют очень тонкие капилляры и поэтому практически непроницаемы (глины, тонкокристаллические известняки, аргиллиты и др.). Такие породы часто являются флюидоупорами в ловушках для нефти и газа.

Магматические и метаморфические породы обладают низкой проницаемостью.

При появлении трещин, проницаемость горных пород (включая тонкодисперсные осадочные, метаморфические и магматические) резко возрастает.

Проницаемость горной породы характеризуется коэффициентом проницаемости, который является коэффициентом пропорциональности в законе фильтрации Дарси:

(6.1)

где Δр — перепад давления (в Па); L — длина пористой среды (в м); — динамическая вязкость жидкости (газа) [в Па-с]; Q — объемный расход жидкости (газа) в единицу времени (в м³/с) через сечение F (в м²) пористой среды.

Отсюда коэффициент проницаемости (в м²):

(6.2).

За единицу проницаемости значением в 1 м² принимается проницаемость такой пористой среды, при фильтрации через образец которой площадью 1 м², длиной 1 м и перепаде давления 1 Па расход жидкости вязкости 1 Па×с составляет 1 м³/с. Физически эта единица измерения проницаемости характеризует величину площади сечения каналов пористой среды, по которым происходит фильтрация. На практике в качестве единицы измерения проницаемости используется Дарси, равная 1,02×10^-12 м²≈1 мкм². Величина, равная 0,001 Д, называется миллидарси (мД).

Основным фактором, влияющим на коэффициент проницаемости пород, является структура их порового пространства, характеризуемая формой и размером пор, извилистостью и удельной поверхностью каналов фильтрации. Эти параметры определяют объем фильтрующего агента, траекторию его отдельных струй и силы поверхностного взаимодействия, препятствующие фильтрации.

Теоретически согласно уравнению Козени-Кармана для пород с межзерновой пористостью:

(6.3)

где _пр.д. — динамическая пористость образца породы, доли единицы; S_ф — удельная поверхность каналов фильтрации (в м²/м³); Т_г — гидравлическая извилистость каналов фильтрации, равная отношению средней статистической длины поровых каналов L_к к длине образца породы L; f — коэффициент, учитывающий форму сечения пор и изменяющийся для гранулярных коллекторов от 2 до 3 при наиболее частом значении 2,5.

Между коэффициентами проницаемости и пористости обычно наблюдаются статистические корреляционные связи _пр =f( ).

Разброс точек на графиках (достаточно широкий) объясняется зависимостью _пр от нескольких из перечисленных параметров, значение которых в каждом отдельном случае различно.

Проницаемость трещиноватой породы в общем случае зависит от геометрии систем трещин и направления фильтрации. В общем случае для породы с равномерным распределением трещин в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях коэффициент проницаемости определится выражением:

(6.5).

где Кт-коэффициент трещинной пористости, b- раскрытость трещин.

В лабораторных условиях трещинная проницаемость может быть определена методом шлифов [11].

Для расчёта трещинной проницаемости этим методом определяют основные показатели трещин:

1) раскрытость b (в мкм) микротрещин по измерениям в шлифе,

2) суммарную длину l (в см) микротрещин в шлифе,

3) площадь шлифа S_ш (в см²).

Коэффициент трещинной проницаемости k_ПР определится:

k_пр = Ab³lS_ш = (A/B)b²k_n (6.7),

где k_n=Bbl/S_ш; А и В — числовые коэффициенты, принимающие в зависимости от геометрии систем трещин различные значения.

Для косвенной оценки k_np применяют величину L=1/Г, где Г — густота трещин — число трещин на единицу длины перпендикуляра, восставленного к плоскости трещин в шлифе. Параметр Г рассчитывают по определенным в шлифе суммарной длине (протяженности) l трещин, секущих шлиф, и площади S_ш с использованием формулы: Г = Сl/S_ш, где С — числовой коэффициент, принимающий в зависимости от геометрии систем трещин разные значения.

Так как раскрытость трещин у литологически различных трещинных пород примерно постоянна (14—15 мкм), то расстояние между трещинами L может служить для примерной оценки проницаемости пород. Это расстояние изменяется от 8 до 140 мкм. Соответственно изменяется и проницаемость трещиноватых пород. Последняя равна, например, 0,5 м² для доломитов с L = 14 см и 24 м² для мергелей с L = 0,8 см.

Для горных пород со смешанным типам пустотного пространства (порово-трещинных и т.д.), связь между коэффициентом проницаемости и пористости более сложная.

Для характеристики проницаемости горных пород используют различные коэффициенты проницаемости.

Наиболее часто используют следующие коэффициенты проницаемости: физическая (абсолютная), фазовая и относительная.

Физическая проницаемость

Физическая проницаемость соответствует проницаемости породы при фильтрации через нее однородной жидкости или газа, химически инертных, по отношению к твердой фазе, и количественно оцениваемой коэффициентом физической проницаемости _пр.

Согласно этому коэффициенту горные породы условно подразделяются на проницаемые ( м²), полупроницаемые ( м²) и практически непроницаемые ( м²).

Физическая проницаемость коллекторов колеблется в очень больших пределах: от 0,1×10^-15 до 3×10^-12 м² и более. Широкое распространение имеют коллекторы с проницаемостью (0,2—1,02)×10^-12 м².

Фазовая и относительная проницаемости

В нефтегазонасыщенных породах-коллекторах одновременно присутствуют две или три фазы («нефть—вода», «газ—вода», «газ—нефть—вода»). Способность пород, насыщенных водонефтегазовыми смесями, проводить отдельно нефть, газ, воду называют поровой (эффективной) проницаемостью. Последняя характеризуется коэффициентом фазовой проницаемости, рассчитываемым для каждого компонента смеси по формулам:

(6.8),

(6.9),

(6.10),

где Q_в, Q_г, Q_н , _в, _г, _н — соответственно расходы и вязкости воды, нефти и газа.

При прочих равных условиях величина коэффициента фазовой проницаемости сильно зависит от вязкости фазового флюида.

Количество жидкостей и газов поступающих из пласта, находится в обратной зависимости от их динамической вязкости μ, величина которой изменяется в Н×с/м² (Па×с) или в Пуазах (Пз) (Па×с=10³ сПз=10Пз).

Вязкость пластовых смесей обычно варьирует от температуры и концентрации растворенных в них солей и обычно изменяется от 0,15 до 3 мН×с/м² (0,15 до 3 сПз)

Отношение фазовой проницаемости к физической называют относительной проницаемостью = , = , = , которую выражают безразмерной величиной в долях единицы или в процентах. Фазовая и относительная проницаемости зависят от нефте-, газо- и водонасыщенности порового пространства породы, а также от физико-химических свойств пористых сред и компонентов, насыщающих их смесей.

Если часть пор занята какой-либо фазой, то совершенно очевидно, что проницаемость породы для другой фазы становится меньше. В реальных условиях, в зависимости от объемного соотношения в поровом пространстве породы воды, нефти, газа, возможны одно- двух- и трехфазные потоки. При этом расход многофазных смесей всегда меньше расхода однородной фазы.

Важной характеристикой фильтрационных свойств горной породы является индекс свободного флюида, который определяет количество флюида способного перемещаться в поровом пространстве под действием перепада давления (свободный флюид). Индекс свободного флюида служит мерой подвижных жидкостей , нефти и/или воды . Численно он равен выраженному в процентах отношению числа ядер водорода , содержащихся в свободном флюиде горной породы к числу ядер водородав дистиллированной воде , занимающей тот же объём, что и горная порода. Для глин и плотных пород он равен нолю. Для пород коллекторов он меняется от единицы до 35% [3]

Пласт коллектор в реальной среде является неоднородным по проницаемости. В качестве оценки средней проницаемости пласта –коллектора, в зависимости от его строения наиболее известны три основные характеристики [14]:

- Среднее арифметическое: невзвешенное среднеарифметическое значение проницаемости, определённое из выражения :

Кпр.са=

i – коэффициент проницаемости I интервала пласта , n- количество таких интервалов;

- Среднее геометрическое : наилучшим образом оценка подходит для неоднородных и анизотропных пластов , для которых приемлемо предположение о случайном распределении свойств матрицы пласта :

Кпр.сг=

- Среднее гармоническое : наилучшим образом подходит для пластов , расположенных последовательно , как например в системах с замещением коллектора по латерали.

Кпр.сг=

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение проницаемости горных пород.

2. Каким параметром оценивается проницаемость горных пород?

3. Какие факторы влияют на величину проницаемости горных пород?

4. Каким образом оценивается трещинная проницаемость?

5. Дайте определение физической проницаемости.

6. Дайте определение фазовой проницаемости.

7. Дайте определение относительной проницаемости.