Основы петрофизики горных пород

 

Наука, занимающаяся изучением физических свойств горных пород и установлением численной взаимосвязи разных параметров между собой, называется петрофизикой.

 

Коллекторские свойства горных пород

 

Под пористостью понимается совокупность пустот (пор) между частицами твердой фазы в абсолютно сухом состоянии. Поры горных пород могут быть различными по происхождению, по размерам, форме, по внутренней взаимосвязи. Формы и размеры отдельных пор, характер их распределения в породах, их извилистость и удельная внутренняя поверхность поровых каналов определяют структуру порового пространства.

По форме: могут быть близкими к ромбоидальным и тетраэдрическим, щелевидные, каверновидные, трещиновидные, каналовидные, ячеестые, пузырчатые.

По размерам: сверхкапиллярные, капиллярные и субкапиллярные. Движение жидкости и газа в сверхкапиллярных порах (радиус больше 0,1 мм) происходит под действием силы тяжести и напора по обычным законам гидродинамики. Капиллярные (0,0002-0,1 мм) поры – движение жидкости в них осуществляется при участии капиллярных сил и возможно лишь тогда, когда силы тяжести и напора значительно превосходят силы молекулярного взаимодействия между фильтрующимся раствором и поверхностью канала фильтрации. Субкапиллярные поры – радиус меньше 0,0002 мм.

Коэффициент пористости. Общая (абсолютная) пористость породы равна суммарному объему открытых и закрытых пор. . Статистическая полезная емкость пород-коллекторов определяется объемом пор, которые могут быть заняты нефтью или газом. Величина этой пористости называется эффективной пористостью. , V_{пор.связ} – объем порового пространства, занятого связанной водой. . К_{в связ} – коэффициент связанной водонасыщенности. При ПЗ НиГ используется формула: , h_i, S_i, К_{п i} – соответственно мощность, площадь и коэффициенты пористости отдельных участков пласта-коллектора.

Водонасыщенность и нефтегазонасыщенность. Содержание воды в горных породах называют их влажностью, а способность пород удерживать в себе то или иное количество воды в определенных условиях – влагоемкостью. В естественных условиях поровое пространство пород может быть заполнено водой полностью или частично. В последнем случае оставшаяся его часть может быть заполнена нефтью или газом.

Глинистость горных пород – их свойство содержать частицы с диаметром меньше 0,01 мм. Глинистые частицы являются обломками глинистых минералов + примеси. Свойства пород содержать совокупность глинистых частиц, занимающих пространство между более крупными зернами, называют рассеянной глинистостью в противоположность глинистости слоистой – свойству пород иметь в своем составе тонкие прослои глин. Коэффициент глинистости.

Плотность горных пород. Плотность δ – физическая величина, которая для однородного вещества определяется его массой в единице объема. Для практических целей используют относительную плотность. Для жидких и твердых веществ она устанавливается по отношению к плотности дистиллированной воды при 4°С, для газов – по отношению к плотности сухого воздуха при нормальных условиях (1 атм, 0°К). . Плотность твердой фазы δ_м – зависит от плотности составляющих ее минералов и их соотношения в единице объема этой фазы, которая может быть мономинеральной и полиминеральной. Предел изменения от 1,5 до 5·10³ кг/м³. Жидкая фаза обычно представлена пластовой водой или пластовой водой с нефтью. Различные плотности нефти в поверхностных и пластовых условиях учитываются с помощью объемного коэффициента. Если жидкая фаза состоит из нефти и воды, то ее плотность рассчитывается как средневзвешенная величина , δ_в, δ_ж – плотности воды и нефти, V_в, V_н – объемы воды и нефти. Плотность природных газов в нормальных условиях зависит от их химического состава и в отличие от плотности твердой и жидкой фаз более существенно зависит от температуры и давления. Плотность отдельных фаз определяется следующим способом: - плотность породы.

Проницаемость горных пород – свойство породы пропускать через себя жидкость, газы и их смеси при перепаде давления. Проницаемость является мерой фильтрационной проводимости породы. Проницаемость делится на: физическую (абсолютную), фазовую (эффективную) и относительную. Физическая проницаемость оценивается коэффициентом физической проницаемости К_пр. - формула Дарси. К_пр является коэффициентом пропорциональности между скоростью фильтрации V_ф однородной жидкости или газа и градиентом давления ΔP/L, где ΔP – перепад давления в Па, L – длина пористой среды в м, μ – динамическая вязкость жидкости, газа в Па·с, Q – объемный расход жидкости или газа в единицу времени в м³/сут через сечение F в м³. Проницаемость измеряется в Дарси (мДарси) [???мкм²]. Горные породы по проницаемости подразделяются на: проницаемые (0,2·10^-5), полупроницаемые (0,1-10,2·10^-15), практически не проницаемые (<0,1·10^-15). Фазовая и относительная проницаемости. В нефтегазонасыщенных породах-коллекторах одновременно присутствуют 2 или 3 фазы. Способность пород, насыщенных водонефтегазовыми смесями проводить отдельно нефть, газа и воду называется фазовой (эффективной) проницаемостью. Относительная фазовая проницаемость – это отношение фазовой проницаемости к абсолютной проницаемости, измеряется в %.

 

Электрические, радиоактивные, акустические и другие свойства

горных пород.

 

Удельное электрическое сопротивление. Свойство горных пород проводить электрический ток характеризуется их удельной проводимостью σ или величиной ей обратной – удельным электрическим сопротивлением ρ. [Ом·м], где R – полное электрическое сопротивление породы в Ом, S – площадь поперечного сечения в м², L – длина в м. Удельное электрическое сопротивление зависит от минералогического состава и температуры. Присутствие в скелетной части твердой фазы породы полупроводящих минералов снижает ее удельное сопротивление. Пластовые поровые воды представляют собой растворы солей (электролиты) и относятся к классу ионных проводников. С увеличением концентрации солей удельное сопротивление уменьшается. Удельное сопротивление также подвержено влиянию температуры пластовых жидкостей.

Удельное сопротивление неглинистых пород. Горные породы проводят электрической ток в основном за счет наличия в их поровом пространстве водных растворов солей. Удельное сопротивление неглинистой породы гранулярного строения, насыщенной водой, зависит от параметра пористости (относительного сопротивления) - Р_п. Для исключения влияния удельного сопротивления пластовой воды вместо ρ_вп для водонасыщенных пород принято рассматривать Р_п. - для водоносных пластов, ρ_вп – удельное сопротивление водонасыщенной породы, ρ_в – удельное сопротивление воды = const=0,045 Ом·м. В нефтегазонасыщенной породе нефть или газ частично замещают воду в поровом пространстве и повышают ее удельное сопротивление. Для полного или частичного исключения влияния нефти, газа, воды, минерализации пластовой воды, характера их распространения, пористости и структуры порового пространства ρ_н – удельное сопротивление нефтенасыщенной части пласта. , ρ_нг – ρ_нп – удельное сопротивление породы, заполненной нефтью, газом и остаточной водой, ρ_вп – удельное сопротивление той же породы при условии ее 100% водонасыщения. Р_н – параметр насыщения – указывает во сколько раз увеличилось сопротивление ρ_нп. К_ов=f(Р_н) К_ов=1-К_н.

Электрохимическая активность. Электрохимические процессы протекают в горных породах, вызывая поляризацию. К ним относят диффузионно-адсорбционные, фильтрационные, окислительно-восстановительные процессы и процессы, связанные с действием внешнего электрического поля.

Под радиоактивностью понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов химических элементов в другие, более устойчивые, которое сопровождается выделением энергии с испусканием α, β, γ лучей. Различают естественную и искусственно вызванную радиоактивность горных пород, что широко используется для изучения геологического разреза скважин методом радиоактивного каротажа. Самопроизвольное превращение одного изотопа в другой, называется радиоактивным распадом.

Естественная радиоактивность горных пород. Радиоактивность горных пород в основном связана с содержанием в них таких элементов, как радий, уран, торий, актиноуран и продуктов распада К⁴⁰. γ-излучение представляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским, представляет из себя поток дискретных частиц γ-квантов. γ-лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном полях. К радиоактивным минералам относятся: рубидий, цирконий, индий, лантан, самарий. Радиоактивность горных пород определяется содержанием радиоактивных элементов, минералов и глинистых частиц. Их адсорбционная поверхность очень велика, на них оседают радиоактивные элементы.

Искусственная радиоактивность горных пород. Нейтронные свойства горных пород (искусственная радиоактивность) связана с радиоактивным распадом искусственных радиоактивных изотопов химических элементов, образующихся при облучении их элементарными частицами (электронами, протонами, нейтронами, γ-частицами). Нейтроны, полученные при помощи нейтронных источников, распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с ядрами ее химических элементов. Наблюдается процесс рассеяния и поглощения (захвата). Распределение нейтронов в породах, т.е. плотность нейтронов на различном расстоянии от источника зависит от нейтронных свойств этих пород, в основном связанных с химическим составом последних. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием: чем оно выше, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Упругие свойства горных пород. В зависимости от характера приложенных внешних сил образец породы может испытывать линейное, плоскостное и объемное напряженное состояние. Под воздействием внешних сил изменяются линейные размеры, объем и форма горных пород. Эти изменения называются деформацией. Различают 3 вида деформации: упругая, пластичная, разрушающая. Модуль Юнга, коэффициент Пуассона.

 

Скорость распространения упругих волн

 

В зависимости от вида деформации в породе возникают различные типы волн, основными из которых являются продольные и поперечные.

Продольные волны связаны с объемной деформацией среды, а их распространение представляет собой перемещение зон растяжений и сжатий, при котором частицы среды совершают колебания около своего первоначального положения, в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Продольные волны распространяются в любой среде: в твердых телах, жидкостях и газах.

Поперечные волны обусловлены деформациями сдвига в среде и присущи только твердым телам.

Одним из важных кинематических параметров упругих волн является скорость их распространения. Известен ряд уравнений, с помощью которых устанавливается зависимость скорости продольных волн в породах от скорости из распространения в отдельных фазах и коэффициента пористости. Наиболее простым и известным уравнением является уравнение Вилли (уравнение среднего времени). Согласно этому уравнению продольная скорость (скорость пробега продольной волны в породе) v_p рассчитывается по времени ее прохождения через минеральный скелет t_м и жидкость t_ж, которая находится в порах горных пород. t_п=t_м+t_ж.

Геофизический метод – АК. На практике пользуются не значением скорости пробега продольной волны, а величиной ей обратной – Δt – интервальное время пробега продольной волны. Δt зависит от минералогического состава скелета породы. Δt_п – интервальное время в породе и Δt_ж – в насыщающей породу жидкости.

 

Другие физические свойства горных пород

 

При ГИС изучаются диэлектрические, магнитные и термические (тепловые) свойства горных пород.

Диэлектрическая проницаемость зависит от состава горных пород, содержания в них твердой, жидкой, газообразной фаз, а также от частоты поля и температуры.

Магнитные свойства горных пород. Основными магнитными параметрами, используемыми в геофизике, являются: намагниченность I, магнитная восприимчивость χ (каппа), магнитная проницаемость μ.

Тепловые свойства горных пород. Основными тепловыми свойствами горных пород являются: теплопроводность λ и тепловое сопротивление породы ε=1\λ. Коэффициент теплопроводности характеризует способность горной породы к передаче тепла. В ГИС используется в основном тепловое сопротивление породы ε. Оно зависит от слоистости пород – явление тепловой анизотропии. Свойство среды поглощать тепловую энергию при теплообмене оценивается удельной теплоемкостью.