Коллекторные свойства горных пород

Горные породы, содержащие нефть, газ и воду и способные отдавать их при разработке, называются коллекторами.

Коллекторные свойства нефтеносных пластов зависят от размера и формы зерен, слагающих породу, степени отсортированности обломочного материала, характера и степени цементации осадков, а карбонатных пород – от пористости и трещинноватости.

Породы-коллекторы характеризуются:

- пористостью;

- проницаемостью;

- трещинноватостью.

Пористость горной породы характеризуется наличием в ней пустот (пор), являющихся вместилищем для жидкостей (воды, нефти) и газов, находящихся в недрах Земли.

На коллекторные свойства пород большое влияние оказывают формы пор и их размер. Обычно поры в породе не имеют связи между собой и образуют каналы, по которым может происходить движение жидкостей и газов. Часть пор не связаны друг с другом.

Различают общую, открытую, эффективную и динамическую пористость.

Общая (полная, абсолютная или физическая) пористость включает в себя все поры горной породы, как изолированные (замкнуты), так и открытые, сообщающиеся друг с другом.

Открытая пористость (пористость насыщения)образуется сообщающимися порами. Характеризуется объемом тех пустот, в которые может проникнуть жидкость (газ) при перепадах давлений, наблюдающихся в естественных пластах.

Открытая пористость коллекторов нефти и газа изменяется в широких пределах от нескольких процентов до 35 %. По большинству залежей она составляет в среднем 12 -25 %.

Эффективная пористость учитывает часть объема связанных между собой пор насыщенных нефтью.

Динамическая пористость учитывает тот объем нефти, который будет перемещаться в процессе разработки залежи.

Наиболее однозначно и с достаточно высокой точностью определяется объем связанных между собой пор, поэтому в практике обычно используется открытая пористость.

Промышленную ценность нефтяного месторождения можно определить по проницаемости его пород – способности проникновения жидкости или газов через породу.

Движение жидкостей или газов через пористую среду называется фильтрацией.

В природе все горные породы проницаемые. Это означает, что при соответствующем давлении можно обеспечить фильтрацию. Однако при обычных перепадах давления в нефтяных залежах в процессе их разработки (эксплуатации) многие горные породы оказываются практически непроницаемыми для жидкостей и газов, т.е. фильтрация становится невозможной. Все зависит от размеров пор и поровых каналов, а также от свойств жидкостей и газов в пластовых условиях.

Породы, не обладающие проницаемостью, относятся к неколлекторам.

Хорошо проницаемыми породами являются: песок, песчаники, доломиты, доломитизированные известняки, алевролиты, а так же глины, имеющие массивную пакетную упаковку.

К плохо проницаемым относятся: глины, с упорядоченной пакетной упаковкой, глинистые сланцы, мергели, песчаники, с обильной глинистой цементацией.

В начале процесса разработки залежей в пустотном пространстве пород-коллекторов может происходить движение только нефти, газа или воды, т.е. имеет место однофазовая фильтрация. В дальнейшем можно наблюдать совместное течение нефти и газа, нефти и воды, газа и воды или смеси нефти, газа и воды, а фильтрация будет двух- или трехфазовой.

За единицу проницаемости принимается проницаемость такой породы, при фильтрации через образец которой площадью 1 м², длиной 1 м и перепаде давления 1 Па расход жидкости вязкостью 1 Па с составляет 1 м³/с. Размерность единиц 1 м². Физический смысл размерности k _пр (площадь) заключается в том, что проницаемость характеризует площадь сечения каналов пустотного пространства, по которым происходит фильтрация.

На практике, учитывая небольшие значения проницаемости в м², используют размерность мкм² или 10^-3 мкм², для большинства нефтяных месторождений коэффициент проницаемости колеблется в пределах 0,1 ÷ 2 мкм², т.е. 10^-13 ÷ 2^.10^{-12 м2}, газ добывают из продуктивных пластов с проницаемостью 5^.10^-15м².

При разработке нефтяных и газовых месторождений в пористой среде одновременно движутся нефть, газ и вода или их смеси. В связи с этим проницаемость одной и той же пористой среды для одной фазы (жидкости или газа) будет изменяться в зависимости от соотношения компонентов смеси. Поэтому для характеристики проницаемости нефтесодержащих пород введены понятия абсолютной, эффективной (фазовой) и относительной проницаемости.

Под абсолютной проницаемостью понимается проницаемость, определенная при условии, что порода насыщена однофазным флюидом, химически инертным по отношению к ней. Для ее оценки обычно используются воздух, газ или инертная жидкость, так как физико-химические свойства пластовых жидкостей оказывают влияние на проницаемость породы. Величина абсолютной проницаемости выражается коэффициентом проницаемости k _пр.

Абсолютная проницаемость зависит только от физических свойств породы.

Эффективной (фазовая) называется проницаемость k _пр._эф. пород для данных жидкости или газа при движении в пустотном пространстве многофазных систем. Значение ее зависит не только от физических свойств пород, но и от степени насыщенности пустотного пространства каждой из фаз, от их соотношения между собой и от их физико-химических свойств.

Относительной проницаемостью называется отношение эффективной проницаемости к абсолютной проницаемости.

Наибольшей, приближающейся по значению к абсолютной проницаемость пород бывает в тех случаях, когда по порам движется чистая нефть. В тех случаях, когда по порам движутся и нефть, и газ в отдельности (две фазы), эффективная проницаемость для нефти, или, как ее еще называют, фазовая проницаемость, начинает уменьшаться. Когда же по порам породы движутся три фазы нефть, газ, вода, эффективная (фазовая) проницаемость для нефти еще более уменьшается.

Например, если содержание воды составляет 80%, фазовая проницаемость для керосина снижается до нуля, т.е. через пористую породу движется только чистая вода.

Проницаемость горных пород зависит от следующих основных причин:

1) от размера поперечного сечения пор (трубок). Последний же зависит от размеров зерен, плотности их укладки, отсортированности и степени цементации. Следовательно, проницаемость горных пород также обусловлена этими четырьмя факторами.

Чем меньше диаметр зерен породы, тем меньше поперечное сечение пор в ней, а следовательно, меньше и ее проницаемость.

Если в породе очень много сверхкапиллярных пор, через которые легче всего может двигаться жидкость, то такая порода относится к категории хорошо проницаемых.

В субкапиллярных порах движение жидкости встречает исключительно большое сопротивление, и потому породы, обладающие такими порами, практически являются непроницаемыми или мало проницаемыми;

2) от формы пор. Чем сложнее их конфигурация, тем больше площадь соприкосновения нефти, воды или газа с зернами породы, тем больше проявления сил, тормозящих движение жидкости, и, следовательно, тем меньше проницаемость такой породы;

3) от характера сообщения между порами. Если отдельные поры сообщаются друг с другом плохо, т. е. в породе отдельные системы пор разобщены, проницаемость такой породы резко сокращается;

4) от трещиноватости породы. По трещинам, в особенности когда они имеют большие размеры (сверхкапиллярные), движение жидкости проходит легко. Если даже общая масса породы имеет плохую проницаемость, то наличие многочисленных трещин сверхкапиллярного типа способствует увеличению проницаемости такой породы, так как по ним возможно движение жидкости или газа;

5) от минералогического состава пород. Известно, что одна и та же жидкость смачивает различные минералы по-разному. Особенное значение это обстоятельство имеет в тех случаях, когда порода обладает капиллярными и субкапиллярными порами. В субкапиллярных и капиллярных порах, где сильно развиты капиллярные силы взаимодействия молекул жидкости с молекулами поверхности капилляра, качественный состав породы, а также свойства самой жидкости, находящейся в порах, имеют исключительно важное значение.

Одно из важных свойств горных пород – трещинноватость, которая обуславливается густотой развития в них трещин.

Трещинноватость пород зависит от их минерального состава, степени уплотнения, толщины пласта и т.д. Трещинная проницаемость горных пород обуславливается системой развития в них трещин и в общем случае пропорциональна их густоте.