Гранулометричний склад порід-колекторів

Гранулометричним (механічним) складом породи називають кількісний (масовий) вміст у ній частинок різного розміру (дисперсності).

Від ступеня дисперсності мінералів залежать багато властивостей гірських порід: пористість, проникність, питома поверхня, капілярні властивості та ін.

Дисперсність (роздрібненість) частинок сцементованих порід вивчають на шліфах під мікроскопом. Несцементовані та слабосцементовані пісковики піддають гранулометричному аналізу, розділяючи породи на фракції, тобто дезінтегрують породу.

Оскільки розміри зерен породи зумовлюють їх загальну поверхню, яка контактує з нафтою, то від гранулометричного складу залежить кількість нафти, що залишається в продуктивному пласті у вигляді плівок на поверхні зерен, а також у вигляді капілярно втриманої нафти на породі після закінчення її видобування.

Поряд із звичайними зернистими мінералами в природі досить широко розповсюджені глинисті та колоїдно-дисперсні мінерали з розмірами частинок менше 0,1 мкм. Через значну їх загальну поверхню склад мінералів впливає на процеси поглинання аніонів та катіонів (процеси адсорбції, ступінь набухання порід у воді). Для більшості нафтогазовмісних порід розміри зерен 0,01- 1 мм.

Механічний склад несцементованих і слабосцементованих порід визначають ситовим та седиментаційним аналізами.

Ситовий аналіз сипучих або дезінтегрованих порід застосовується для роз'єднання (дезінтеграції) та розділення піску на фракції 0,05 мм і більші. Вміст менших за розмірами частинок визначають методом седиментації.

Ситовий аналіз проводиться з використанням набору каліброваних дротяних, капронових або шовкових сит з отворами 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5 та 0,25 мм. Зверху ставиться сито з найбільшими отворами. Для аналізу звичайно беруть наважку породи в 5 г, дезінтегрують, просівають її на ситах протягом 15 хв. і зважують кожну фракцію, що залишилась на ситах.

Седиментаційний розподіл частинок на фракції відбувається через відмінність швидкостей осідання частинок різних розмірів у в’язкій рідині. Щоб концентрація частинок не впливала на швидкість їх осідання в дисперсному середовищі масовий вміст твердої фази не повинен перевищувати 1 %.

Швидкість осідання частинок в рідині при седиментаційному аналізі визначають за формулою Стокса:

.

(3.1)

Як видно з наведеної формули, для розрахунків необхідно знати густину зерен породи та рідини, кінематичну в’язкість рідини та діаметр частинок.

Результати гранулометричного складу зображають у вигляді таблиць, графіків, гістограм, циклограм, інтегральної кривої сумарного складу та розподілу зерен породи за розмірами (рисунки 3.1 і 3.2).

Масова доля фракції, %
Рисунок 3.1 - Крива розподілу зерен породи за розмірами (1) і гістограма (2)

Сумарна масова доля фракції %
Рисунок 3.2–Крива сумарного гранулометричного складу зерен породи

За даними гранулометричного складу можна виділяти різні породи: глини, алеврити, піски, а також визначають питому поверхню порід та судять про їх неоднорідність. Слід зауважити, що із збільшенням величини питомої поверхні породи переважно погіршуються її колекторські властивості.

Ступінь неоднорідності породи визначається за відношенням сумарних мас частинок, що відповідкають 60 та 10 % від загальної маси. Для порід нафтових і газових родовищ він коливається в межах 1,1-20,0. Також за даними гранулометричного аналізу підбирають розміри фільтрів, що встановлюються на вибоях свердловин для запобігання руйнування продуктивного пласта та винесення частинок породи в стовбур свердловини рідиною з пласта.

Контрольні запитання

1 Що називають колекторами вуглеводнів?

2 Як поділяються колектори за характером пустот?

3 Що таке анізотропія?

4 Назвіть види структур за розмірами зерен породи.

5 Чим характеризуються текстурні особливості порід-колекторів?

6. Які параметри характеризують колекторські та фільтраційно-ємнісні властивості гірських порід – колекторів нафти і газу?

7. Що таке гранулометричний склад породи?

8. Які методи використовуються для гранулометричного аналізу породи?

9. Запишіть формулу для визначення швидкості осідання частинок породи у в’язкій рідині.

10. Як представляються результати гранулометричного аналізу породи?

Пористість

Однією з дуже важливих властивостей породи є її пористість, яка характеризує здатність порід вміщати рідкі або газоподібні речовини (нас, зокрема, цікавить здатність вміщати різні вуглеводні та воду).

Під пористістю гірської породи розуміють наявність у ній пустот (пор, каверн, тріщин), які не заповнені твердою речовиною.

За походженням пори та інші пустоти в породі поділяються на первинні та вторинні.

Первинні пори утворюються під час осадонагромадження та формування породи. Сюди відносять пустоти між зернами і частинками породи, проміжки між площинами нашарування, пустоти, які утворилися після розкладу організмів. Первинна пористість звичайно спостерігається в пісках, пісковиках, конгломератах, глинах і т.д.

Вторинні пори утворюються в породах, що деформуються в результаті діагенезу (процесу переутворення) осадових порід. Сюди відносяться пори розчинення, тріщини, каверни, карсти. Вторинна пористість спостерігається переважно в карбонатних породах (вапняках і доломітах).

В природних умовах величина пористості звичайно коливається в широких межах, оскільки зерна та частинки породи мають різні величину та обриси. На колекторські властивості порід величезний вплив мають форма і особливо розмір пор. В залежності від їх величини розрізняють:

1) зверхкапілярні (понадкапілярні) пори – діаметр пор більший 0,508 мм – в цих порах флюїд є активним і може вільно пересуватись;

2) капілярні пори – діаметр пор від 0,508 до 0,0002 мм – в цих порах відбувається рух рідин та газів, але вже під значним впливом капілярних сил;

3) субкапілярні пори – діаметр пор менший від 0,0002 мм (0,2 мкм) – в цих порах дія капілярних сил настільки велика, що флюїди в них за умови створюваних під час видобутку перепадів тиску (градієнтів тиску) не рухаються.

Не зможуть рухатися флюїди і в капілярних порах, якщо вони оточені субкапілярними порами.

Відповідно до вище сказаного, виділяють повну (загальну, абсолютну, фізичну) та відкриту пористість.

Повна пористість виражає різницю між об’ємом зразка породи та об’ємом зерен, що його складають:

Величина повної пористості характеризується коефіцієнтом пористості, який представляє собою відношення сумарного об’єму пор у зразку породи до видимого об’єму цього зразка:

Якщо повну пористість виразити через густини, то

Відкрита пористість (пористість насичення) визначається як відношення об’єму всіх з’єднаних між собою пор до видимого об’єму зразка породи:

З’єднані між собою пори – це, звичайно, пори розміром більше 0,2 мкм, в які за даного перепаду тиску або вакууму проникає рідина.

Часом визначають також ефективну пористість, яка враховує об’єм тих відкритих пор, які насичені нафтою чи газом, за винятком об’єму пор, який займає зв’язана (залишкова) вода.

Коефіцієнт ефективної пористості – це добуток коефіцієнта відкритої пористості на коефіцієнт нафто(газо)насичення:

Існують різні методи визначення повної та відкритої гранулярної пористості. Їх визначення проводиться в спеціальних лабораторіях на керновому матеріалі.

Визначення пористості гірських порід проводиться і методами промислової геофізики, оскільки при їх використанні є можливість одержання даних для всього інтервалу продуктивного пласта, а не зі шматків кернового матеріалу, об’єм якого звичайно складає незначний відсоток від загальної товщини пласта.

У ряді практичних випадків з´являється необхідність визначення пористості тріщинуватих порід. На її величину та інтенсивність прояву значний вплив справляє літологічний фактор, а саме: речовинний склад досліджуваних порід з їх структурно-текстурними особливостями.

Важливим параметром тріщинуватості гірських порід є ширина (розкритість) тріщин, залежно від якої тріщини поділяються на дуже вузькі (субкапілярні) - з розкритістю 0,005-0,01 мм, вузькі (капілярні) - з шириною 0,01-0,05 мм та широкі (волосні) - з розкритістю 0,05-0,15 мм і більше.

За ступенем заповнення розрізняють відкриті, частково заповнені та закриті (заповнені) тріщини.

Об’єм порожнин тріщин називають тріщинною пористістю, а відношення об’єму порожнин тріщин до об’єму тріщинуватої породи чи її зразка – коефіцієнтом тріщинної пористості.

Дослідження показують, що тріщинна пористість не відіграє суттєвої ролі у вирішенні питання про ємність тріщинуватих колекторів і її частка від міжзернової пористості складає не більше 10 %. Це, очевидно, можна пояснити тим, що в тріщинуватих породах на значній глибині (більше 1000 м) ширина тріщин переважно не може перевищувати 0,1 мм.

Приклад. Зразок тріщинуватої породи, що має форму куба об’ємом 1000 см³ і пересікається 10 тріщинами шириною 0,1 мм кожна буде мати тріщинну пористість всього 1 %.

Існують різні методи визначення тріщинної пористості. Одним з найбільш широко застосовуваних є метод вивчення породи в шліфах під мікроскопом. Відповідно до цього методу, знаючи справжні значення ширини тріщин та їх довжину, тріщинну пористість можна визначити за формулою:

де b – ширина тріщини, що найчастіше трапляється, м;

l – сумарна довжина всіх тріщин, м;

Ѕ -площа шліфа, яка потрапила в поле зору мікроскопу, м².