Коллекторские свойства горных пород

КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД                                            

 ПОРИСТОСТЬ        

Земные  недра в толще осадочных пород содержат  три фазы : твердую (минералы), жидкую (вода или нефть) и  газообразную. То, что занимают жидкая и газообразная фазы, является пористостью. То есть пористость – это объем порового пространства, который оценивается отношением объема пор к объему горной породы. Выраженная в процентах эта величина называется коэффициентом пористости. Пористость чистого стекла – 0%, пористость гранита от 1 до 3 % , пористость песчаников 10–20 и не более 33 % , пористость хлеба 50–70%, пористость пуховой подушки до 85%, то же для пустой бутылки, считая за пору ее полезный объем. В нефтегазовой геологии обычно различают три вида пористости. Общая пористость характеризует все виды пор, в том числе и самые мелкие, поэтому общая пористость сухих глин, как правило, выше пористости песчаников.      

Открытая  пористость характеризует сообщающиеся поры, которые могут поглощать  жидкость или газ; открытая пористость соответствует общей у пористых песков, меньше у песчаников на 10 – 30%, у глин на 50% и более, у каменной соли она отсутствует.       

Эффективная пористость характеризует совокупность пор, через которые происходит миграция флюида т.е. это те поры , в которые он может не только проникать, но и быть извлеченным. Таким образом это объем пор с учетом остаточной воды. Поэтому эффективная пористость для воды, нефти и газа различна, более того она различна для их смеси в разных соотношениях. Пористость сухих образцов колеблется в широких пределах, но достаточно определенна для каждого типа пород.      

Пористость, в которой каналы пор велики настолько (> 0,.2 мм) что флюиды могут относительно свободно проходить сквозь них и  сравнительно легко (экономически рентабельно) извлекаться, называется эффективной. Общая пористость больше, чем открытая, а открытая больше, чем эффективная. Строение порового пространства определяется размерами, формой и пространственными взаимоотношениями пор. По размерам поры классифицируются по разным признакам .       

Размеры и свойства пор.  

Диаметр пор		Раскрытость трещин	Свойства флюидов
Мегапоры (полости), от сантиметров до кубометров		Сверхкапиллярные > 0,25 мм	Нефть и вода движутся в соответствии с законами гравитации
Макропоры >0,1 мм
Микро–поры <0,1 мм	Капиллярные– 0,1 мм	Капиллярные 0,25–0,001 мм	Действуют преимущественно  капиллярные силы
	Субкапиллярные <0,002 мм	Субкапиллярные <0,001 мм	Движение флюида практически  невозможно

 

  

 

 

       Пористость  может быть в горной породе изначально, тогда она называется первичной, а может появиться в процессе существования горной породы – тогда она называется вторичной, например, при растворении горной породы или ее  перекристаллизации. Кроме того, пористость бывает гранулярная (или межзерновая) – в терригенных породах, каверновая встречается в карбонатных породах и трещинная – в любых по генезису породах. Гранулярная пористость зависит от окатанности, сортированности, формы и способа укладки зерен, а также от типа и состава цемента. Коэффициент пористости может достигать 40%, но обычно он превышает 20. Очень большую, но неравномерную пористость имеют органогенные известняки. Равномерно пористы хорошо окатанные и слабо сцементированные терригенные породы. Характерные значения пористости для различных горных пород приведены в таблице.   
       

Общая пористость осадочных  горных пород, %  

Порода	Пределы колебаний	Наиболее вероятная
Песок	4–55	20–35
Песчаник	0–30	5–25
Алевролиты	1–40	3–25
Ил	2–90	50–0
Глина	0–75	20–50
Известняки	0–35	2–15
Мел	40–55	40–50
Доломиты	2–35	3–20

 

  

 

 

      По  структуре пористость разделяют  на межгранулярную (между обломками), трещинную и кавернозную. Трещинная  пористость не превышает 3–5 %, но в формировании проницаемости роль трещин весьма велика. Кавернозная пористость характерна для растворимых пород карбонатов, сульфатов и хлоридов. Размеры каверн от долей миллиметров до десятков метров – например, карстовые пещеры. Кавернозная пористость достигает десятков процентов. По происхождению выделяют поры первичные, возникшие на стадии формирования породы (седиментез, диагенез), и вторичные, образующиеся в недрах, на стадии существования породы (катагенез, эпигенез) или на поверхности, при выветривании (гипергенез).   
                                          

 ПРОНИЦАЕМОСТЬ   
       

Проницаемость – способность пород пропускать флюиды. Она зависит от размера и конфигурации пор, что обусловлено размером зерен терригенных пород, плотностью укладки и взаимным расположением частиц, составом и типом цемента и др. Очень большое значение для проницаемости имеют трещины. Традиционно проницаемость оценивали во внесистемных единицах дарси (Д). А в системе СИ ей примерно соответствует единица 1··10^–12м². Такой проницаемостью обладает образец горной породы длиной L 1 м, площадью сечения в 1 м², пропускающий сквозь себя 1 м³/сек жидкости Q вязкостью 0,001 Па··с при перепаде давления на концах образца p 0,1013 МПа.     

Различают абсолютную и относительную проницаемость. Абсолютная проницаемость описывает  прохождение однородного флюида, не реагирующего с вмещающей горной породой, которая принимается однородной. Абсолютная проницаемость не меняется со временем. Эффективная проницаемость описывает прохождение конкретного флюида, например, смеси нефти и воды, которые могут реагировать с породой. Естественно, что определение ее в каждом конкретном случае необходимо. По величине проницаемости горные породы разделяются на три порядка в пределах 1·10–15 – 110–12 м²; последнее соответствует 1 Д. Примерно такой проницаемостью обладает обычная водопроводная труба, а проницаемость реальных горных пород в сотни и более раз меньше. Продуктивные коллектора имеют проницаемость 10^–14 – 10^{–13 м2}. Проницаемость обеспечивается сообщающимися порами между частицами, обломками или кристаллами. Поэтому если размер пор более 10 мкм., то проницаемость возрастает пропорционально пористости. Минимальный размер поры, в которой может перемещаться флюид, более 1 мкм. Если же пора меньше, то поверхностные силы ее стенок делают капилярное натяжение непреодолимым для флюида. Поэтому, например, глины, обладая в сухом состоянии пористостью 30%, непроницаемы из–за ничтожных размеров своих каналов. В трещиноватых породах флюид перемещается по трещинам, достигающим иногда 100 мкм. В отличие от межгранулярной проницаемости в общем постоянной в пласте, трещинная проницаемость резко возрастает в узкой зоне вблизи разломов. Вскрытие скважиной таких узких линейных зон обещает гигантские притоки, но грозит аварийными выбросами, фонтанами и требует особого искусства.    
  

 ПОРОДЫ–КОЛЛЕКТОРЫ

И ПОРОДЫ – ПОКРЫШКИ (ФЛЮИДОУПОРЫ)   
       

Пористость  и проницаемость горных пород обуславливает особенности их взаимоотношений с жидкой и газовой фазами. Важнейшие из этих взаимоотношений для нефтегазовой геологии – это способность вмещать и пропускать сквозь себя или, наоборот – не пропускать флюиды. Такие свойства называются коллекторскими или флюидоупорными свойствами пород.        

Породы, способные  вмещать нефть, газ и воду и  отдавать их при разработке, называются породами–коллекторами.         

Изучение  коллекторских свойств горных пород  проводится прямыми методами – по образцам керна (кусочкам породы, вынутым  из скважины), или косвенными – по геофизическим материалам, по испытаниям скважин на приток. Лабораторное изучение керна – прямое, точное и достоверное. Однако из–за того, что керн обычно разламывается по трещинам, они выпадают из поля зрения исследователя, в результате чего реальная проницаемость пород зачастую оказывается больше, чем определено при лабораторных исследованиях. Поэтому В.Д. Скарятин рекомендует рассматривать трещинный коллектор в виде совокупности двух сред:

–                    блоков горных пород, размером от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (матрицы коллектора), где основная емкость и фильтрация обусловлены порами, кавернами и мелкими трещинами сообщающимися друг с другом;

–                    межблокового пространства, представляющего собой крупные протяженные трещины и зоны дробления пород с приуроченными к ним расширениями, кавернами, пещерами и другими полостями.      

Классификации коллекторов и флюидоупоров многочисленны  и разнообразны. Среди коллекторов  чаще всего выделяют поровые (обусловленные  гранулярной пористостью), кавернозные, трещиноватые и смешанные (кавернозно–трещиноватые, трещиновато–поровые, кавернозно–трещиновато–поровые), рис.4.1.      

Трещины в коллекторах – это не только полости для накопления флюида, но и пути его миграции. К трещиноватым коллекторам за рубежом приурочено более 50% запасов нефти, а в России 12% залежей. Именно трещиноватыми коллекторами обусловлена нефтегазоносность знаменитойбаженовской свиты в Западной Сибири (бажениты), а также доманиковых слоев в Европе и Северной Америке.  
 

 

 

     Кроме пород–коллекторов существуют породы слабопроницаемые, или практически  непроницаемые. Такие породы называются породами –флюидоупорами (покрышками). Лучшие из них – каменная соль и глина. Особенно хорошие изолирующие свойства у монтмориллонитовой глины, способной разбухать в воде. Большая часть горных пород имеет средние коллекторские и изолирующие свойства. В результате флюиды не могут спокойно мигрировать по породе и в то же время не являются надежно удержанными. Такие породы называют ложными покрышками.      

Колекторские  и изолирующие свойства зависят  не только от особенностей породы, но и  от состояния флюидов внутри нее, от давления и температуры, при которых они находятся. Характеристики коллекторов и флюидоупоров меняются с глубиной часто неоднозначно и непредсказуемо. Например, коллекторские свойства карбонатных пород улучшаются за счет выщелачивания и образования каверн, растворения карбонатного цемента. Глинистые породы часто обезвоживаются и растрескиваются. А в терригенных породах обломочные частицы уплотняются, ближе прилегают друг к другу, в результате чего коллекторские свойства породы ухудшаются. С уверенностью можно утверждать только то, что ни идеальных флюидоупоров, ни идеальных коллекторов в природе не существует.  

 

 

  НЕТРАДИЦИОННЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ          

Понятие о традиционных и нетрадиционных коллекторах условно и соотносится  с временем, местом, и научной  позицией. В самом широком смысле к нетрадиционным относятся коллекторы с негранулярной пористостью. Как правило, это толщи, сложенные глинистыми, кремнистыми, вулканогенными, интрузивными, метаморфическими породами.        

Коллекторы  в глинах возникают как зоны разуплотнения вследствие преобразования глинистых минералов, выделения связной воды, генерации из органического вещества жидких продуктов и газов. При этом какой–то участок породы, вследствие роста внутреннего давления, пронизывается системой трещин и возникает природный резервуар, ограниченный со всех сторон менее измененными породами. Трещины возникают преимущественно по наслоению пород. Иногда эти участки на первый взгляд никак не связаны с тектонческими особенностями региона, но зато в их размещении угадывается приуроченность к закономерным зонам связанным с ротационными силами. По мнению Ю.К. Бурлина [Геология и геохимия, 2000], таким образом образовались резервуары в баженовской карбонатно–глинисто–кремнистой толще верхней юры в Западной Сибири (Салымское месторождение), в майкопской глинистой серии Ставрополья (Журавское месторождение). Сходным образом возникают резервуары в глинисто–карбонатных богатых органическим веществом так называемых доманикоидных, или доманиковых толщах.

 
и т.д.................