Пористость и влагоемкость различных типов пород

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РК

Карагандинский  государственный технический университет 
 
 
 
 

Кафедра геологии и геофизики 
 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

          По дисциплине: Петрофизика

          Тема: Пористость и влагоемкость различных типов пород 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст-нт гр.ГПР-09зВВ Язев И.Р.

                                                  Проверила: Тунгышбаева А.Т. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Караганда-2010

 

Пористость

Виды  пористости

     Горные  породы, руды, каменные угли и минералы, слагающие земную кору, не являются сплошными телами. Все они обладают емкостным пространством, то есть содержат полости (поры), которые в условиях естественного залегания заполнены пластовой водой, 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 межгранулярными или 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. 1, а, б, в). Примеры пород с вторичными полостями — трещинные и трещинно-кавернозные известняки и доломиты (рис. 1, г, д, е).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Примеры  первичной (а, б, в) и вторичной (г, а, е) пористости в обломочных, глинистых и карбонатных породах:

а —  хорошо отсортированный высокопористый песчаник; б — плохо отсортированный песчаник с пониженной пористостью; в — глины; г — трещиноватая карбонатная; е — трещинно-кавернозная карбонатная порода.

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 (емкостей) в  горных породах принято оценивать  коэффициентом пористости: 

K_п=V_n/V

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

k_п=(V_п.мз+V_т+V_кав)/V=k_п.мз+k_т+k_кав 

где V_п.мз, V_т, V_кав — объемы пор (межзерновых), трещин и каверн соответственно; К_п.мз, К_т, К_кав — коэффициенты межзерновой пористости, трещиноватости и кавернозности соответственно.

     По  форме первичные полости —  поры могут быть ромбоэдральными  у хорошо отсортированных рыхлых и окатанных песчаников, тетраэдрическими у тех же сильно уплотненных пород, щелевидными 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, каверновидными у карбонатных разностей и гипсов, каналовидными у лессов, ячеистыми у известковистых и кремнистых туфов, соответствующими форме выщелоченным кристаллам минералов в плотных магматических, метаморфических и осадочных породах. По размерам поры и каверны можно характеризовать эффективным диаметром², а трещины — средней шириной (раскрытием).

В основу классификации  пор по размерам положено взаимодействие твердой поверхности с насыщающей поры пластовой водой.

В наиболее крупных, сверхкапиллярных, порах, имеющих диаметр d_эф>10^-4м, доля воды, связанной капиллярными силами и силами адсорбции с твердой фазой, сравнительно невелика. Поэтому пластовая вода в этих порах может двигаться в основном под действием силы тяжести в соответствии с законами трубной гидромеханики.

В капиллярных  порах d_эф=10^-7÷10^-4 м радиус менисков, образовавшихся на границе двух фаз в результате поверхностного натяжения, таков, что они препятствуют движению воды под действием силы тяжести, т.е. вода в этих порах удерживается капиллярными силами.

     В субкапиллярных порах d_эф=2*10^-9÷1*10^-7 м велика доля воды, на которую действуют адсорбционные силы со стороны твердой поверхности. Поры в этом случае заполнены рыхло- и прочносвязанной водой, которая практически не способна к перемещению в поле силы тяжести или под влиянием сил поверхностного натяжения.

В микропорах d_эф<2*10^-9м, диаметр которых соизмерим с толщиной слоя прочносвязанной воды, пластовая вода при температурах менее 70°С практически неподвижна.

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 b редко превышает 10^-4м 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 называется объем всех полостей, как сообщающихся между собой (или открытых), так и не сообщающихся (закрытых). Количественно общую пористость рассчитывают по соотношению плотностей сухой породы и минеральных зерен: 

k_п=(V-V_тв)/V=1-σ_п.с/σ_т.в 

где V — объем сухой породы; V_тв — объем твердой фазы в породе; σ_п.с,σ_т.в —плотности сухой ненарушенной породы и твердой фазы (минералогическая плотность породы) соответственно.

Уравнение используется при лабораторном способе  определения коэффициента общей пористости образцов (способ Мельчера). С этой целью взвешиванием находят плотность сухого парафинированного образца σ_п.с с и плотность минералов (твердой фазы) σ_т.в того же раздробленного образца путем взвешивания в пикнометре. Способ Мельчера чаще всего применяется для изучения пористости образцов пород с межзерновым типом пор. Трещины н каверны обычно недостаточно полно представлены в керне.

Коэффициентом открытой пористости кпо 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):

K_п.о=V_п.о/V

где V_п.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: 

K_п.фэ=(V_п.о-V_в.св)/V=k_п.о(1-k_в.св) 

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

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): 

k_п.д=(V_п.о-V_в.св-V_н.о)/V=(V_п.эф-V_н.о)/V=k_п.о(1-k_в.о-k_н.о) 

Некоторая неопределенность определяемых в лаборатории  значений k_п.д и k_п.эфф заключается в том, что эти величины зависит не только от свойств породы, но и от приложенного градиента давления и времени вытеснения керосина другим флюидом. Так, при длительном приложении высоких градиентов давления вытеснения k_пд —> k_пэф. Однако при низких градиентах давления вытеснения, как правило, k_пд < k_пэф.

Ценность  информации о движении флюидов, которую содержат коэффициенты эффективной и динамической пористости, определяет их важное практическое значение, как это показал опыт оптимизации разработки Ромашкинского месторождения на поздней стадии эксплуатации. Поэтому в геофизике активно развиваются радиоиндикаторные методы прямого определения к_п.д коллекторов в условиях естественного залегания. 

Структура емкостного пространства

     Емкостное пространство горной породы, образованное сообщающимися между собой порами, трещинами и кавернами, является весьма сложным по своему строению и состоит из сочетания емкостей разных форм и размеров. Одни поры хорошо проводят флюиды, другие — заполнены адсорбированной и капиллярно-удержанной водой.