Способы определения коэффициентов пористости

Пористость

Виды пористости

 

Горные породы состоят из минерального скелета, или твердой фазы, и перового пространства, обычно заполненного жидкой и газовой компонентами. Таким образом, пористость - это свойство породы содержать не заполненные твердой фазой объемы внутри нее. Поры - это небольшие пространства, не занятые минеральным скелетом, замкнутые либо сообщающиеся между собой и атмосферой.

Связанные между собой поры принято называть открытыми, а не связанные - закрытыми. Суммарный объем закрытых V_{пор з} и открытых V_{пор о} пор горной породы дает объем всех пор или характеризует ее общую пористость V_пор

 

V_пор = V_{пор з}+ V_{пор о} (2.1)

 

Коэффициентом общей пористости называют отношение суммарного объема пор V_пор к общему объему сухой породы V_с

 

k_п = V_пор / V_с (2.2)

 

По аналогии вводятся понятия коэффициентов открытой - k_{п о}, закрытой - k_{п з}., эффективных статической - k_{п ст} и динамической - k_{п д} пористости:

 

k_{п о}=V_{пор о}/V_с;

k_{п з}=V_{пор з}/V_с;

k_{п ст}=V_{пор ст}/V_с; (2.3)

k_{п д}=V_{пор д}/V_с

 

где V_{пор о},V_{пор з}, V_{пор ст} и V_{пор д}- соответственно объемы открытых, закрытых пор, а также пор, в которых могут находиться свободные вода, жидкость, газ, и пор, по которым вода, нефть и газ фильтруются при заданном градиенте давления. Эти коэффициенты необходимы при подсчете емкостей коллекторов: 1) открытой, образованной взаимосвязанными порами; 2) закрытой; 3) полезной, т. е. открытой за вычетом объема связанной воды, и 4) содержащей извлекаемые запасы нефти и газа. Информация о. пористости горных пород нужна для подсчета запасов нефти, газа и воды и др.

Коэффициенты пористости обычно выражают в процентах.

По существующим классификациям все породы подразделяются на пять групп в зависимости от значений коэффициента общей пористости:

- k_п >20% - высокопористые – торф, песок,мел, лесс и др.;

- k_п = 15-20% - повышенно-пористые – бурый уголь, окисленные руды;

- k_п = 10-15% - среднепористые – кам. уголь, железистый кварцит и др.;

- k_п = 5-10% - пониженно-пористые –антрацит, каменная соль и др.;

- k_п <5% - низкопористые – гранат, слюды и др. минералы.

При диагенезе и метаморфизме k_п уменьшается. Так, глинистые илы имеют k_п = 80 %, В ходе диагенеза илы переходят в глины с k_п =35-45%, затем из глин образуются сланцы с k_п = 0,5%.

Способы определения коэффициентов пористости

Измерение и вычисление k_п основаны на следующем соотношении:

 

k_п=1 - V_t/V_C (2.4)

 

где V_Т - объем твердой фазы, V_C –объем сухой породы.

Поскольку, V_Т = M_T/σ_T, V_C = M_C/σ_C, M_T ≈ M_C, имеем:

,

k_п=1 - M_T×σ_C / M_C×σ_T =1 - σ_C / σ_T (2.5)

 

Следовательно, коэффициент общей пористости зависит от соотношения плотностей сухой породы и твердой фазы.

Для определения коэффициента общей пористости k_п отбирают образцы объемом 10-20 см³ и измеряют их одним из трех способов:

а) весовым, когда оба объема V_T и V_c устанавливают по массе вытесненной образцом жидкости, а М_Т и М_с - по массам сухого образца и твердой фазы;

б) объемным, в котором V_т и V_c измеряют по объему жидкости, вытесненной твердой фазой и образцом;

в) объемно - весовым, когда один из объемов определяют по массе, а другой - по объему вытесненной жидкости или газа.

Коэффициент открытой пористости k_П наиболее надежно определяется весовым способом. Для этого вначале взвешивают образец, предварительно высушенный до потери поровой влаги, и получают величину М_с. Затем в вакууме насыщают образец керосином, водой или другой рабочей жидкостью и снова взвешивают, определяя М_к. Для получения объема образца его взвешивают в рабочей жидкости, что дает массу М_кк. Отношение объема открытых пор к объему образца даст искомый коэффициент пористости:

 

k_по=1–V_пор/V_C=(М_К–М_С)×σ_К/σ_C×(М_К–М_КК)=(М_К–М_С)/(М_К–М_КК) (2.6)

 

При тщательных измерениях точность определения коэффициента пористости составляет от 2% до десятых долей процента.

Характеристика пор

 

По происхождению поры подразделяют на первичные и вторичные. Первичные поры образуются во время формирования горных пород, имеют различную форму. В ходе диагенеза и метаморфизма они изменяют форму и величину. Вторичные поры - это трещины, каверны, каналы, которые образующтся в результате экзогенных процессов (выветривания, перекристаллизации и др.).

Форма пор определяется главным образом их происхождением и составом и может быть самой разнообразной (рисунок 2.1).

Рис. 2.1 -. Виды пор:

а - высскопористые породы с окатанными сортированными зернами; б - то же, но с пористыми зернами; д - низкопористые породы с плохо окатанными и сортированными зернами; г - породы пониженной пористости с хорошо окатанными сортированными, но сцементированными зернами; д - разновидности пор:

1 - растворения; 2 - трещильые; 3 - щелевидные, 4 - лабиринтообразные; 5 - замкнутые, 6 - клиновидные

 

Размер пор характеризуется их эффективным (средним) диаметром. Поры классифицируются: на крупные сверхкапиллярные, капиллярные, тонкие субкапиллярные, микропоры.

Крупные сверхкапиллярные поры имеют диаметр более 1×10^-4 м. Они характерны для галечников, гравия, крупно- и среднезернистых песков и других сортированных слабосцементированных обломочных пород. Для выщелоченных карбонатных пород и гипсов типичны мегапоры, обусловленные карстом. Здесь основной объем жидкий фазы перемещается согласно законам гидродинамики под действием силы тяжести и внутреннего пластового давления.

Капиллярные поры с эффективным диаметром от 1×10^-7 до 1×10^-4 м типичны для менее сортированных, более плотных осадочных пород: мелкозернистых песков, песчаников, обломочных карбонатных и других подобных образований. Здесь относительная доля связанной воды существенно больше, а подвижность флюида ниже.

Тонкие субкапиллярные или мезопоры имеют эффективный диаметр от 2×10^-9 до 2×10^-7 м. Такие поры характерны для глин, микрокристаллических известняков, диатомитов, трепелов, пепловых туфов и других природных сорбентов. Здесь подземные воды прочно связаны с твердым скелетом породы и адсорбированными поверхностью пор ионами, в результате чего подвижность жидкой фазы минимальна.

Микропоры с диаметром менее 2×10^-9 м обнаружены лишь у цеолитов. Диаметр микропор соизмерим с размером молекул, поэтому в них находится исключительно прочносвязанная вода.

Поровый состав горных пород отражают кривыми относительных частот - полигонами (рис. 2.2) и графиками накопленных частот - кумулятами.

Поровый состав горных пород изучают разными способами: с помощью ртутной и водной порометрии за счет капиллярного вдавливания ртути либо вытеснения воды, адсорбции, капиллярной конденсации, оптическими методами с предварительной пропиткой образцов люминофором и др.

 

 

 

Рис. 2.2 - распределение радиусов r_эф пор в песчаниках двух типов нефтяного месторождения Жетыбай.