Проницаемость
Проницаемость ‑ это свойство породы, характеризующее возможность перемещения флюидов через сообщающиеся поры (эффективную пористость) без 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
¹ Турбулентное 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, 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.