Состав коллекторов пласта месторождения. Типы коллекторов нефти и газа

Таким образом, удельная поверхность представляет одну из важнейших  характеристик горной породы.

Следует отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту понятия удельной поверхности, изучение и точное определение ее величины — сложная задача. Дело в том, что поры в пористой среде представлены каналами размером от десятков и сотен микрон до размеров, сравнимых с размерами молекул. Поэтому удельная поверхность глин или других адсорбентов, играющая, например, роль в процессах адсорбции, не имеет для данного пористого вещества определенной величины, а зависит от размера адсорбируемых молекул. Только для молекул с близкими размерами принципиально возможно из опытных данных получить близкие значения удельных поверхностей одного и того же адсорбента.

Для мелкопористых адсорбентов  и существенно отличающихся по размерам адсорбируемых молекул наблюдаются  значительные отклонения в величинах  удельной поверхности (явление это носит название ультрапористости).

Чтобы представить, какова удельная поверхность естественных пород, подсчитаем общую поверхность  песчинок (шаровых) радиусом r = 0,1 мм в 1 м³ песка.

Поверхность одной песчинки будет равна , а объем

Если пористость фиктивного грунта, сложенного песчинками одинакового  диаметра, равна m, то объем, занятый песчинками в единице объема породы, будет V = 1—m, а число песчинок в единице объема породы будет равно

 

 

Очевидно, что суммарная  поверхность всех песчинок в единице  объема породы будет равна

 

,

 

или

 

, (1.49)

 

где d — диаметр песчинок в м; S — удельная поверхность в м²/м³; т — пористость в долях единицы.

Для песчинок радиусом г = 0,1 мм, следовательно, удельная поверхность будет равна (если пористость т = 0,26)

 

 

т. е. в 1 м³ песка общая поверхность частиц составит 22000 м².

Очевидно, что удельная поверхность глинистых пород  может достигать еще большей  величины и если поверхность пористой среды нефтяного пласта после окончания эксплуатации залежи останется смоченной хотя бы тончайшей пленкой нефти, это приведет к тому, что большие количества ее не будут извлечены на поверхность (табл. 6).

Таблица 6

Удельная поверхность  кернов в м²/м³ некоторых нефтяных месторождений Советского Союза (по Ф.И. Котяхову и Л.И. Рубинштейну)

№ образца	Ташкала	Ромашкино	Туймазы
1	121500	73000	38000
2	214000	85000	54000
3	330000	113000	52000
4	191000	72500	55000
5	56600	73000	90000

 

По результатам исследований Козени, Л. С. Лейбензона, К. Г. Оркина и других с удельной поверхностью связан ряд других свойств пород. Так, например, при использовании уравнения (1. 49) удельная поверхность породы по ее гранулометрическому составу может быть определена по формуле

 

 (1.50)

 

где Р — масса породы в кг; Рi — масса данной фракции в кг; d_i — средние диаметры фракций в м, определяемые по формуле

 

, (1.50^’),

 

где d^’_i и д^’’_i — ближайшие стандартные размеры отверстий сит.

По экспериментальным  данным К. Г. Оркина при определении  дельной поверхности по механическому составу в формулу (1. 50) следует ввести поправочный коэффициент, учитывающий повышение удельной поверхности вследствие нешаровидности формы зерен, величина которого равна . Меньшие значения α относятся к окатанным зернам, большие — к угловатым.

Используя уравнения, связывающие  параметры фиктивного грунта, аналогичные  формуле (1. 49), можно также установить зависимость между удельной поверхностью и другими параметрами реальных пород. Для этого при выводе соответствующих  формул реальный грунт с неоднородными частицами заменяют эквивалентным естественному фиктивным грунтом, который обладает одинаковым гидравлическим сопротивлением фильтрации жидкости, с такой же удельной поверхностью, как и естественный грунт. Диаметр частиц фиктивного грунта, обладающего этими свойствами, принято называть эффективным (d_эф). Сопоставляя формулы (1. 49) и (1. 50), можно видеть, что

 

, (1.51)

 

или

 

, (1.52)

 

С другой стороны, удельную поверхность можно выразить через  гидравлический радиус δ:

 

 или , (1.53)

 

Гидравлический радиус, как известно, равен отношению  площади порового канала к его  периметру и для поры с круглым  сечением, с радиусом R

 

Тогда можно написать

 

, (1.54)

 

Подставляя значение R из формулы (1. 19), получи

 

, (1.55)

 

где k — проницаемость в м²; S — удельная поверхность в м²/м³. Если выразить проницаемость в дарси, то получим удельную поверхность в м²/м³:

 

,  (1.56)

 

Из формул (1. 56) и (1. 54) следует, что чем меньше радиус поровых  каналов и проницаемость породы, тем больше ее удельная поверхность.

13) Механические свойства коллекторов

Упругость, прочность  на сжатие и разрыв, пластичность —  наиболее важные механические свойства горных пород, с которыми приходится сталкиваться при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений. Перечисленные механические свойства пород влияют на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождения.

Так, например, упругие  свойства горных пород совместно  с упругостью пластовых жидкостей  влияют на перераспределение давления в пласте при эксплуатации месторождения. Запас упругой энергии, освобождающейся при снижении давления, может служить значительным источником движения нефти по пласту к забоям скважин. Действительно, если пластовое давление снижается, то жидкость — вода и нефть — расширяется, а поровые каналы сужаются. Упругость пород и жидкостей очень мала, но вследствие огромных размеров пластовых водонапорных систем в процессе эксплуатации значительное количество жидкости (упругий запас) дополнительно вытесняется из пласта в скважину за счет расширения объема жидкости и уменьшения объема пор при снижении пластового давления.

Не менее существенный эффект упругости жидкости и пласта представляет не мгновенное, а постепенное  перераспределение давления в пласте после всякого изменения режима работы скважины, после ввода новой или остановки старой скважины. Таким образом, при большой емкости пласта и высоком пластовом давлении с самого начала эксплуатации пласт будет находиться в условиях, для которых характерны длительные неустановившиеся процессы перераспределения пластового давления. Скорости этих процессов в значительной мере определяются упругими свойствами пород и жидкостей. Оказывается, что по скорости перераспределения давления при известных упругих свойствах пород и жидкости можно судить о проницаемости и других параметрах.

В процессе эксплуатации месторождения весьма важно знать  также и прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пластов), широко применяемых в нефтепромысловом деле для увеличения притока нефти.

Весьма важно также знать пластические свойства пород.

Известно, что породы пластов в естественном состоянии находятся в упруго-сжатом состоянии под действием веса вышележащих отложений. При проведении горных выработок это состояние всестороннего сжатия нарушается и создаются условия «вытекания» пород в выработку. Очевидно, что при этом нарушается существовавшее ранее естественное поле напряжений в районе выработки и при проведении гидравлического разрыва пластов, при торпедировании, при исследовании процессов разрушения призабойной зоны необходимо исходить из новых условий напряженного состояния пород в районе выработки, обусловленных соответствующим горным давлением, величина которого, кроме всех прочих свойств пород, как мы увидим дальше, зависит также и от пластичности породы, в которой проведена выработка.

Из сказанного следует, что физико-механические характеристики горных пород чрезвычайно важно знать при разработке месторождения и проведении различных мер воздействия на призабойную зону скважин.

При рассмотрении физических свойств горных пород следует  учитывать, что в зависимости  от условий залегания механические свойства породы могут резко изменяться.

Основные факторы, определяющие физико-механические свойства породы, следующие:

1) глубина залегания  породы, определяющая величину давления, испытываемого породой от веса  вышележащей толщи (горное давление);

2) тектоника района, определяющая  характер и степень интенсивности  испытанных породой деформаций;

3) стратиграфические  условия залегания;

4) внутрипластовое давление  и условия насыщения пор жидкостями.

Горные породы, налегая  друг на друга, находятся в определенном напряженном состоянии, вызванном собственным весом пород и определяющимся глубиной залегания и характером самих пород. До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от собственного веса вышележащих пород и возникающие в породе ответные напряжения находятся в условиях равновесия.

Составляющие этого  нормального поля напряжений имеют  следующие значения:

по вертикали

 

 

где σ — вертикальная составляющая напряжений в н/м²; γ — удельный вес породы в н/м³; Н — глубина залегания пласта в м; ρ— плотность породы в кг//м³; g — ускорение силы тяжести в м/сек².

по горизонтали

 

 

где п — коэффициент бокового распора.

Величина п для пластичных и жидких пород типа плывунов равна единице (и тогда горизонтальное напряжение определяется гидростатическим законом), а для плотных и крепких пород в нормальных условиях, не осложненных тектонически, коэффициент бокового распора выражается долями единицы.

Величина коэффициента бокового распора и горизонтального  давления может быть приближенно  оценена из следующего [35].

Выделим элементарный объем  горной породы (рис. 21). Относительная  деформация, которую это тело получило бы, например, вдоль оси х при сжатии его тремя взаимно-перпендикулярными, равномерно распределенными силами, выраженными главными напряжениями ( ; ), была бы равна

 

, (1.59)

 

где E — модуль Юнга в н/м²; ν— коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).

Eсли принять, что в процессе осадконакопления происходило только сжатие пород в вертикальном направлении, а в горизонтальном направлении деформаций не происходило, то

 

 

Тогда, исходя из уравнения (1.59), получим

 

, (1.60)

 

т.е. коэффициент бокового распора

 

 

Если принять для пород значение коэффициента Пуассона равным ν = 0,3, то получим [13]

 

σ = 0,43·σ _z , (1.61)

 

 

Формула (1. 60) выведена для условий, когда справедливо предположение об отсутствии деформаций пласта в горизонтальном направлении и когда не учитывается пластичность горных пород. В условиях реальных пластов эти предположения не всегда справедливы, и в них поэтому возможны более сложные напряженные состояния горных пород.

При достаточно больших  давлениях на значительных глубинах, по-видимому, происходит выравнивание напряжений вплоть до величин, определяемых гидростатическим законом, так как  предполагается, что за длительные геологические периоды породы испытывают пластические деформации. Однако чаще всего вследствие интенсивных тектонических процессов, происходивших в земной коре в течение геологических периодов, горные породы многократно деформировались, что, по-видимому, сопровождалось возникновением значительных различий между главными напряжениями.

В областях, где в результате тектонических процессов происходили  боковое сдавливание пород и  образование надвигов, наибольшим должно быть горизонтальное напряжение, которое, по-видимому, может иногда в 2—3 раза превышать вертикальное горное давление. В зонах возникновения обычных сбросов, не сопровождающихся боковым сжатием, вертикальные напряжения пород должны значительно превышать горизонтальные.

С появлением скважины изменяется напряженное состояние пород, так  как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины оказывается частично уменьшенным. При этом в районе скважины в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки.