Основы петрофизики горных пород

Горные породы в зависимости от условий их образования и рас- пространения обладают присущими им структурными и текстурными признаками. Они характеризуются определенным комплексом физи- ческих свойств – пористостью, проницаемостью, плотностью, упру- гостью, удельным электрическим сопротивлением, радиоактивно- стью и др. Наука, занимающаяся изучением физических свойств гор- ных пород и установлением численной взаимосвязи различных параметров между собой, называется петрофизикой. Для того чтобы в дальнейшем уяснить физическую сущность методов ГИС, в на- стоящем разделе дается представление об основах петрофизики гор- ных пород, что позволит освежить в памяти сведения, полученные при слушании курса «Петрофизика горных пород» [45, 88].

 

 

ГЛАВА 1

КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Пористость

Под пористостью горной породы понимается совокупность пус- тот (пор) между частицами ее твердой фазы в абсолютно сухом со- стоянии. Пористость в основном определяет содержание в породах жидкостей и газов и является одним из основных параметров, харак- теризующих их коллекторские свойства. Поры горных пород могут быть различны по происхождению, форме, размерам и внутренней взаимосвязи [40, 45, 88].

Формы и размеры отдельных пор, характер их распределения в породах и соотношение объема пор различных размеров, их взаимосвязь, извилистость и удельная внутренняя поверхность по- ровых каналов определяют структуру порового пространства по- роды.

По своей форме поры пород крайне разнообразны и могут быть близкими к ромбоидальным и тетраэдрическим, щелевид- ным, каверновидным, трещинновидным, каналовидным, ячеистым, пузырчатым и др. (рис. 2).

 

Рис. 2. Породы с различными типами пористости.

Межзерновая пористость: а – с хорошо отсортированными зернами; б – с хорошо отсортированными зернами и цементирующим вещест- вом в промежутках между ними; в – глинистый песчаник с рассеянным глинистым материалом. Пористость: г – трещинно-каверновая,

д – трещинная. 1 – зерна, 2 – глинистые частицы, 3 – цементирующий материал, 4 – блоковая часть породы

По размерам поры условно подразделяются на сверхкапил- лярные, капиллярные и субкапиллярные. К сверхкапиллярным от- носятся поры радиусом 0,1 мм и более. Движение жидкостей и газов в них происходит под действием силы тяжести или напора по обычным для трубчатого канала законам гидродинамики. Ка- пиллярные поры имеют просвет от 0,0002 до 0,1 мм. Движение жидкостей и газов в них осуществляется при участии капиллярных сил и возможно лишь тогда, когда силы тяжести и напора значи- тельно превосходят силы молекулярного взаимодействия между фильтрующимся флюидом и поверхностью канала фильтрации. Размер субкапиллярных пор составляет менее 0,0002 мм. Вследст- вие малого расстояния между стенками субкапиллярных каналов жидкость в них находится в сфере действия молекулярных сил

и при градиентах давлений, наблюдаемых в природе, перемещать- ся не может. Породы, имеющие в основном субкапиллярные поро- вые каналы, не являются коллекторами (глины, глинистые сланцы, сильноглинистые разности терригенных пород и др.).

Трещинная пористость классифицируется по раскрытости трещин аналогично рассмотренной выше схеме. Трещины сверхкапиллярны, если ширина их раскрытости больше 0,25 мм, капиллярны при ширине от 0,0001 до 0,25 мм, субкапиллярны при ширине меньшей 0,0001 мм. Иногда выделяются макротрещины и микротрещины. Первые имеют раскрытость более 0,1 мм, а вторые – от 0,01 до 0,1 мм.

Одна и та же порода может содержать поры различных разме- ров. Их соотношение и распределение по объему в кластических по- родах зависит от отсортированности, плотности укладки и формы породообразующих частиц. В практической работе поры горных по- род по своей морфологии (форме и происхождению) принято делить на межзерновые (гранулярные), трещинные и каверновые.

Коэффициент пористости горных пород и влияние на него различных факторов. Поры горных пород могут быть взаимосвя- занными и изолированными. Первые соответствуют открытой, а вторые – закрытой части порового пространства породы. Общая (абсолютная) пористость породы равна суммарному объему от- крытых и закрытых пор. Количественно пористость оценивается коэффициентом, численно равным отношению объема пор V _пор к объему образца породы V _обр, и выражается в долях единицы или процентах. Для оценки внутренней взаимосвязи пор используют:

– коэффициент общей пористости

K п = V пор.общ / V обр,

где V _{пор.общ} – общий объем пор в образце породы;

– коэффициент открытой пористости

K п.о = V пор.о / V обр,

где V _пор.о – объем открытых пор в образце породы;

– коэффициент закрытой пористости

K п.з = V пор.з / V обр,

где V _пор.з – объем закрытых пор в образце породы.

Статистическая полезная емкость пород-коллекторов опреде- ляется объемом пор, которые могут быть заняты нефтью или га- зом. Величина этой пористости характеризуется коэффициентом эффективной пористости

K п.эф = (V пор.о – V пор.св)/ V обр,

или

K п.эф = (1 – K в.св) K п.о,

где V _пор.св – объем порового пространства, занятый связанной водой;

K _в.св – коэффициент связанной водонасыщенности.

При подсчете запасов нефти и газа используется средневзве- шенное значение коэффициента пористости, рассчитываемое по формуле

K = å (K п. i  hi Si)  ,

п.ср

å (h i S i)

где K _{п i} , h_i и S_i – соответственно коэффициент пористости, мощ- ность и площадь отдельных участков пласта-коллектора.

Для пород с жесткой связью частиц в определении общей по- ристости K _п наряду с межзерновой первичной пористостью K _п.м значительную роль играют поры вторичного происхождения K _п.вт – трещины, каверны и другие пустоты выщелачивания. Коэффици- ент общей пористости в таких породах

K п = K п.м + (1 – K п.м) K п.вт,

откуда коэффициент вторичной пористости

K п.вт = (K п – K п.м) / (1 – K п.м).

В зависимости от преобладающего типа пористости выделяют породы с межзерновой пористостью (поровые), трещиноватые, кавернозные или порово-кавернозно-трещиноватые (смешанные).

Величина пористости обломочных пород зависит от формы и размера породообразующих частиц, степени их отсортированно- сти, сцементированности и уплотненности. Породы с низкой по- ристостью (меньше 5 %) при отсутствии трещин и каверн обычно

не являются промышленными коллекторами. Породы с понижен- ной пористостью характеризуются K _п = 5 – 10 %, со средней порис- тостью – 10–15 %, с повышенной – 15–20 %. Высокопористыми считаются породы с K _п > 20 %. Увеличение глинистого и другого по вещественному составу цементирующего материала снижает пористость пород.