УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ

Для идеального грунта поровое пространство представлено пучком параллельных капилляров. Исходя из уравнения Пуазейля, характеризующего связь между расходом фильтрующей­ся жидкости и радиусом капилляра, можно получить уравнение Козени — Кармана (см. разд. 5), связывающее величины удель­ной поверхности %, коэффициентов пористости k_n и проницае­мости k_пр идеального грунта:

откуда

Для поровых каналов с извилистостью Т и формой сечения, отличной от круговой, выражение для S_ф приобретает вид:

где f>2; Т>1.

Показано, что уравнение (2.24) применимо к пористым сре­дам, скелет которых представлен несцементированными зерна­ми и не содержит высокодисперсного материала, например, к образцам чистого кварцевого песка, а также к искусственным моделям пористой среды из стеклянных шаров и т. п. Для по­добных сред величина S_ф близка к значению S_n.

Для пористой среды, содержащей высокодисперсный мате­риал, например глину, в порах каркаса, образованного скелет­ными зернами, для расчета S_фв формулу (2.24) подставляют вместо k_п.д коэффициент эффективной пористости k_п.эф = k_ц(1— k_Bо), а в качестве Т используют значение извилистости каналов фильтрации Т_Г:

Рассмотрим, как будет меняться значение S_ф на примере серии образцов песчаника с различной глинистостью от чистого, неглинистого до глинистого песчаника-неколлектора. В чистом песчанике S_ф≈S_п и составляет 500—1000 см-¹ в зависимости от преобладающего размера зерен скелета. С ростом k_гл умень­шаются значения k_п.ф и k_пр, но так, что в значительном диапа­зоне изменения 0<k_гл< k_гл1 величина S_фрастет с ростом k_гл и достигает значений n·10⁴ см^-1 (n=1-3). При дальнейшем росте k_гл в области k_гл1< k_гл< k_гл.гр величина S_ф быстро умень­шается, достигая нуля в породе-неколлекторе, в которой отсут­ствует система эффективных фильтрующих пор, k_п.эф = 0, k_пр=0(рис. 2). Значение S_п в диапазоне 0<k_гл< k_гл1 с ростом k_глуве­личивается быстрее, чем S_ф. В дальнейшем в области k_гл1< k_гл< k_гл.гр величина S_п продолжает расти и различие между S_пи S_ф резко возрастает, достигая двух-трех порядков [см^-1]. Соотношение S_п> S_ф во всем диапазоне 0<k_гл< k_гл.гр,, соответ­ствующем породам-коллекторам, объясняется тем, что значе­ние S_п, как уже отмечалось выше при сравнении S_п и S_гран, определяется суммарной поверхностью всех частиц пород, ос­новной вклад в которую вносит поверхность глинистых частиц, причем вклад этот растет с ростом k_гл . Величина S_фопределя­ется только суммарной поверхностью макрокапилляров, по кото­рым происходит фильтрация, тогда как огромная поверхность субкапилляров, расположенных между частицами глины, не входит в S_ф , поскольку в субкапиллярах фильтрация не проис­ходит.

3. ПОРИСТОСТЬ

Горные породы, руды, каменные угли и минералы, слагаю­щие земную кору, не являются сплошными телами. Все они содержат полости (поры), которые в естественных условиях за­полнены пластовой водой, различного рода газами, нефтью или смесью этих флюидов. По происхождению полости делятся на первичные, которые сформировались в момент образования горной породы, и вто­ричные, возникшие уже после образования породы, в процессе ее литогенеза. Первичными являются различного вида поры между облом­ками (зернами), осадочной породы, достаточно равномерно рассеянные в массиве терригенных и карбонатных пород. Такие поры называются межзерновыми. К вторичным полостям отно­сятся трещины, каверны или каналы выщелачивания минералов.

Классические примеры пород с первичными порами — это осадочные терригенные породы: пески, песчаники, глины (рис. 3, а,б,в). Примеры пород с вторичными полостями — тре­щинные и трещинно-кавернозные известняки и доломиты (рис. 3, г, д, е).

Следует отметить, что в некоторых случаях при глубоком катагенезе в терригенных породах могут образовываться вто­ричные полости (каверны и трещины), а в известняках, доло­митах и мергелях — сохраняться первичные поры.

Количественно объем всех видов пор и полостей в горных по­родах принято оценивать коэффициентом пористости:

где V_n — объем полостей, заключенных в породе; V—объем породы¹.

¹ Для набухающих пород; V—объем сухой породы.

Пористость — фундаментальное свойство породы, от которо­го зависит большинство ее физических свойств. Однако при этом вид (конфигурация) полостей также имеет важное значе­ние при изучении физических свойств. В общем случае коэффи­циент общей пористости

По форме первичные полости — поры могут быть ромбоэд-ральными у хорошо отсортированных рыхлых и окатанных пес­ков, тетраэдрическими у тех же сильно уплотненных пород, ще-левидными у глин, слюд и других минералов с кристаллической решеткой пластинчатой структуры, в виде канальцев расши­ряющейся или сужающейся формы у плохо отсортированных обломочных образований, пузырчатыми в ненарушенных магма­тических породах; вторичные полости — трещиновидными у скальных метаморфических и магматических пород, каверно-видными у карбонатных разностей и гипсов, каналовидными у лессов, ячеистыми у известковистых и кремнистых туфов, со­ответствующими форме выщелаченным кристаллам минералов в плотных магматических, метаморфических и осадочных по­родах. По размерам поры и каверны можно характеризовать эф­фективным диаметром¹, а трещины — средней шириной (рас­крытием).

Сверхкапиллярные поры характерны для слабосцементированных галечников, гравия, крупно- и среднезернистых песков, обломочных разностей карбонатных пород; в зонах выщелачи­вания карбонатных пород они могут достигать весьма больших размеров (каверны, карсты).

Капиллярные поры типичны для сцементированных песчани­ков, обломочных и кристаллических известняков, доломитов. Сверхкапиллярные и капиллярные поры составляют основную емкость гранулярных коллекторов.

Субкапиллярные поры свойственны глинам, мелкокристал­лическим и мелоподобным известнякам, доломитам, трепелам, пепловым туфам и другим тонкозернистым породам. В отсут­ствие трещиноватости все эти породы не являются коллекто­рами.

Микропоры установлены у некоторых природных цеолитов.

Трещиноватость наиболее характерна для плотных, низко­пористых горных пород. Происхождение трещин чаще всего тектоническое, хотя в природе можно встретить трещины диаге­неза (доломитизация карбонатов), трещины уплотнения и тре­щины автогидроразрыва в зонах образования аномально высо­ких пластовых давлений.

Наиболее хорошо изучена субгоризонтальная трещинова­тость пород, ориентированная преимущественно по напластова­нию. Раскрытие (ширина) этих трещин bредко превышает

10^-4 м в связи с превышением вертикальных напряжений в кон­солидированных горных массивах над горизонтальными. Это обстоятельство способствует смыканию горизонтальных трещин. Однако в последнее время высказываются мнения о значитель­ном влиянии субвертикальной трещиноватости в земной коре на течение многих геологических процессов. По некоторым данным раскрытие вертикальных и субвертикальных трещин может быть весьма значительным. Этот вид трещиноватости в горных породах труднее поддается изучению существующи­ми геофизическими методами исследования скважин.

По характеру взаимной связи между порами и движению флюидов в породе различают общую, открытую, эффективную и динамическую пористости.

Коэффициентом общей пористости k_п оценива­ется объем веек полостей, как сообщающихся между собой (или открытых), так и не сообщающихся (закрытых). Количе­ственно общую пористость рассчитывают по соотношению плот­ностей сухой породы и минеральных зерен:

Уравнение (3.3) используется при лабораторном способе определения коэффициента общей пористости образцов (способ Мельчера). С этой целью взвешиванием находят плотность сухого

парафинированного образца δ_п._с и плотность минералов (твердой фазы) (δ_тв) того же раздробленного образца путем взвешивания в пикнометре. Способ Мельчера чаще всего при­меняется для изучения пористости образцов пород с межзерно­вым типом пор. Трещины и каверны обычно недостаточно пол­но представлены в керне.

Коэффициентом открытой пористости k_п.о оценивается объем пор, сообщающихся между собой в породе и с окружающей средой. Открытую пористость определяют путем взвешивания сухих и насыщенных керосином образцов пород с последующим нахождением объема парафинированных образцов путем их взвешивания в керосине (метод Преображенского):

где Vп.о — объем пор, заполненных керосином.

Для низкоглинистых высокопористых и рыхлых пород об­щая и открытая пористости отличаются незначительно. Для пород с большим содержанием субкапиллярных пор (напри­мер, глины) различие может быть весьма существенным.

Коэффициент эффективной пористости k_п..эф (понятие введено Л. С. Лейбензоном) характеризует полезную емкость породы для углеводородов (нефти или газа) и пред­ставляет собой объем открытых пор за исключением объема, заполненного физически связанной и капиллярно-удержанной пластовой водой:

где k_пв.св — коэффициент водонасыщения, определяющий содер­жание связанной воды в единице объема пор; V_в.св — объем свя­занной воды.

Достоверность величины k_п..эф будет зависеть от точности определения количества связанной воды (k_B._CB) в породе.

Однако не весь объем нефти или газа, заполняющих полез­ную емкость горных пород, можно привести в движение при разработке месторождений. Определенная часть их, находящая­ся в мелких и тупиковых порах, при реализуемых градиентах давления вытесняющей жидкости остается в порах без дви­жения.

Коэффициент динамической пористости k_п/д показывает, в какой части объема породы при заданном гради­енте давления может наблюдаться движение жидкости или газа. Этот объем определяют на содержащем остаточную воду и на­сыщенном керосином образце как разницу между объемом эф­фективных пор (V_п.о— V_в.св) и объемом пор V_н.о, в которых ос­тался керосин после его вытеснения из породы другим флюи­дом (обычно воздухом или азотом):

Некоторая неопределенность данного выражения заключается в том, что величина k_п/дзависит не только от свойств породы, но и от величины приложенного градиента давления и времени вытеснения керосина другим флюидом. Так, при длительном приложении высоких градиентов давления вытеснения k_п/д—» k_п..эф. Однако при низких градиентах давления вытеснения, как правило, k_п/д< k_п..эф

3.2. СТРУКТУРА ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА

Поровое пространство горной породы, образованное сооб­щающимися между собой порами, является весьма сложным по своей форме и состоит из сочетания пор разных размеров. Одни поры хорошо проводят флюиды, другие — заполнены адсорби­рованной и капиллярно-удержанной водой.

Характер распределения пор по размерам обычно называют структурой порового пространства изучаемой породы. Сущест­вуют прямые и косвенные методы изучения структуры порового пространства. К прямым методам относятся оптические, на­пример, исследование микрофотографий шлифов (А. Ф. Бого­молова, Н. А. Орлова, 1961 г.) и с помощью электронной мик­роскопии, к косвенным — капиллярные методы.

Оптические методы характеризуют распределение пор на плоскости, и требуются многократные исследования на парал­лельных плоскостях для представления об изменении пор в объеме. Метод окрашенных шлифов наиболее широко приме­няется при изучении структуры пор трещиноватых и трещино­вато-кавернозных пород на больших шлифах (К. И. Багринцева,- 1975 г.).

Капиллярные методы характеризуют структуру порового пространства в объеме, но они, как правило, не могут быть ис­пользованы для изучения трещиновато-кавернозных пород.

Известны три разновидности капиллярных методов: 1) полу­проницаемой мембраны; 2) ртутной порометрии; 3) капилляр­ной пропитки. Эти методы основаны на применении уравнения Лапласа для капиллярного давления в круглом цилиндрическом капилляре для оценки эффективного диаметра пор d_эф, м:

В методе полупроницаемой мембраны из водо-насыщенного образца, установленного на водонасыщенной ис­кусственной мембране размером пор 2-10^-6 м, азотом вытесня­ют воду и строят зависимость величины водонасыщенности об­разца от величины капиллярного давления. По формуле (3.7) вычисляют эффективные диаметры пор, соответствующие каж­дому р_к, а по изменению водонасыщенности — относительное содержание этих пор в объеме породы. Строят график распре­деления пор в образце по их размерам. Большинство исследователей принимают 0 = 0 из условий абсолютной смачиваемости водой кварцевого капилляра и σ — для границы раздела воды с воздухом при данной температуре. Длительность опыта при исследовании одного образца дости­гает 30 сут. Размер пор полупроницаемой мембраны ограничивает ниж­ний предел изучения пор. Радиусы пор вычисляют в диапазоне (2-- 100)·10^-6 м. Пленку смачивающей жидкости (воды) на поверхности пор породы трудно учесть в расчетах, что снижает точность опреде­ления распределения пор.

В методе ртутной порометрии в вакуумированный •образец нагнетают ртуть. Чем меньше диаметр пор, тем боль­шее давление нужно приложить для преодоления капиллярных сил. Строят зависимость р_к от насыщенности образца ртутью, затем — кривую распределения пор.

Краевой угол 0 обычно принимают равным 140° из условий несмачивания ртути кварцевого капилляра, а σ — для границы раздела ртуть — воздух. На опыт с одним образцом расходует­ся всего несколько часов, а диапазон изучаемых пор при рабо­те с этим методом расширяется до (0,01-=-100) • 10^-6 м.

К недостаткам метода можно отнести слабую изученность зависимости 0 от влажности и литологии пород и невозможность использовать образец для повторных или последующих иссле­дований.

В методе капиллярной пропитки, или люмине-сцентно-фотометрическом методе (Л. М. Марморштейн, 1975 г.), смачивающая люминесцирующая в ультрафиолетовом свете жидкость под воздействием капиллярных сил впитывается об­разцом. С помощью автоматической фотометрической установ­ки наблюдают за изменением окраски верхнего торца образца под влиянием впитывающейся жидкости.

Дополнительное изучение извилистости поровых каналов электрическими методами позволяет в этом методе отойти от моделирования порового пространства пучком параллельных цилиндрических капилляров. Однако этот метод, так же как и другие методы, основанные на использовании люминесцирую-щих жидкостей для изучения структуры порового пространства (метод смесимого вытеснения, по Л. М. Марморштейну), пока ле получили распространения.

3.3.ПОРИСТОСТЬ МИНЕРАЛОВ

Твердая фаза горных пород состоит из породообразующих минералов.

Кристаллы или обломки минералов, слагающих горную породу, имеют, как правило, весьма низкую первичную общую пористость. Эта пористость обусловлена включениями газов или другими особенностями условий кристаллизации минералов. Открытая первичная пористость у большинства минералов от­сутствует. Поэтому изменение объема и состава минерального скелета горных пород может быть связано только с процессом эрозии или эпигенетическими процессами в литогенезе (раство­рением, осаждением, перекристаллизацией и т.п.).

3.4. ПОРИСТОСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Осадочные породы, по М. С. Швецову, можно подразделить на три большие группы: 1) обломочные; 2) хемогенные и био­генные; 3) глинистые. В природных условиях часто порода состоит из нескольких составных частей, тогда основанием для отнесения ее к той или иной группе служат количественные соотношения между этими частями. Например, к обломочным относятся породы, содержащие более 50% обломочного материала. К обломочным относят грубообломочные, песчаные, алеври­товые и эффузивно-осадочные породы; к группе хемогенных и биогенных пород — алюминистые, железистые, марганцови­стые, кремнистые, фосфатные, карбонатные, сульфатные, соля­ные, каустобиолиты; группа глинистых пород подразделяется на гидрослюдистые, каолинитовые> монтмориллонитовые, хлорито­вые. Наибольшую роль при формировании осадочных толщ иг­рают обломочные, карбонатные, глинистые, соляные и сульфат­ные породы, причем соляные и сульфатные породы в естествен- ном залегании пластичны, их пористость весьма мала, состав­
ляет доли процента. Пористость обломочных, карбонатных и глинистых пород изменяется в широких пределах. Ее конкретное значение для каждой породы определяется многими факторами. Однако наи­более значимыми из них являются: максимальная глубина по­гружения, содержание глинистых минералов, интенсивность вторичных процессов, температура и возраст пород.