Загадочное свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы издавна интересовало ученых. Проницаемость - ключ к пониманию процессов миграции углеводородов и формирования месторождений. В этой статье мы разберемся, от чего зависит проницаемость и как ее измеряют.
Сущность проницаемости горных пород
Проницаемость горных пород - это их способность пропускать жидкость или газ под действием перепада давления. Почти все осадочные породы обладают проницаемостью, кроме глин, доломитов и некоторых известняков. Эти породы имеют много мелких пор субкапиллярного размера, поэтому движение даже газа в них затруднено.
Физический смысл проницаемости - это эффективная площадь поперечного сечения порового пространства породы, через которое происходит фильтрация жидкости или газа. Чем больше размер пор и их сообщаемость, тем выше проницаемость породы.
Проницаемость зависит от свойств фильтрующейся жидкости. Для жидкостей, активно взаимодействующих с породой, проницаемость будет меньше, чем для инертной жидкости в той же породе. Газовая проницаемость часто выше водной для одной и той же породы.
Виды проницаемости
Различают несколько видов проницаемости горных пород:
- Абсолютная проницаемость - определяется для инертной жидкости или газа, полностью заполняющих поровое пространство. Зависит только от свойств самой породы.
- Фазовая проницаемость - проницаемость породы для отдельной фазы в многофазной системе. Зависит от насыщенности породы фазами.
- Относительная фазовая проницаемость - отношение фазовой проницаемости к абсолютной. Позволяет сравнивать фазовые проницаемости.
В пластах-коллекторах присутствует несколько фаз - нефть, газ, вода. Для каждой фазы своя фазовая проницаемость. С увеличением обводненности проницаемость для воды растет, а для нефти падает.
Проницаемость характеризует не только свойства породы, но и процессы в пласте при движении многофазной системы.
Факторы, влияющие на проницаемость
На проницаемость горных пород влияют разные факторы:
- Литологические особенности пород - состав, структура, размер зерен
- Трещиноватость и напластование
- Состав насыщающих пласт флюидов и их свойства
- Взаимодействие между фазами на границах раздела и поверхности пор
- Условия течения - скорость, направление, градиент давления
В трещиноватых и слоистых породах проницаемость анизотропна - выше вдоль трещин и напластования.
При высоких скоростях течения возникают инерционные силы, и закон Дарси перестает работать. Необходимо применять поправки.
Таким образом, на проницаемость влияет множество факторов, что делает ее трудно прогнозируемой величиной.
Измерение проницаемости в лаборатории
Для измерения проницаемости горных пород в лаборатории используют разные методы.
Наиболее распространен метод с использованием закона Дарси. Через образец породы пропускают жидкость или газ и измеряют расход и перепад давления. По формуле Дарси рассчитывают коэффициент проницаемости.
При измерении газовой проницаемости возникает эффект Клинкенберга - завышение проницаемости при низких давлениях из-за проскальзывания газа. Чтобы устранить эту погрешность, измерения проводят при разных давлениях и экстраполируют к бесконечному давлению.
При высоких скоростях течения применяют поправки Форхгеймера, чтобы учесть отклонение от линейной зависимости в законе Дарси.
Одновременно с проницаемостью часто определяют и пористость образцов породы.
Классификация коллекторов по проницаемости
По величине проницаемости выделяют классы коллекторов:
- Очень высокая проницаемость (> 1 мкм2)
- Высокая (0.1 - 1 мкм2)
- Средняя (0.01 - 0.1 мкм2)
- Низкая (0.001 - 0.01 мкм2)
- Очень низкая (< 0.001 мкм2)
Высокопроницаемые коллекторы легко фильтруют жидкости и газы. Они отличаются высокими дебитами скважин. Низкопроницаемые коллекторы дают небольшие дебиты. Их разработка требует особых технологий. Коллекторы со средней проницаемостью наиболее распространены.
Закономерности пространственного распределения проницаемости
Проницаемость горных пород неравномерно распределена в пространстве. Вблизи контуров нефтегазоносности проницаемость снижается из-за уменьшения пористости. По разрезу наблюдается вертикальная зональность - проницаемость убывает с глубиной. В плане распределение проницаемости носит случайный характер и требует детального изучения.
Влияние проницаемости на разработку месторождений
От проницаемости зависит производительность добывающих скважин - чем выше проницаемость пласта, тем больше дебит. При низкой проницаемости применяют специальные методы увеличения притока - ГРП, кислотные обработки, горизонтальное бурение.
Выбор системы разработки месторождения тоже зависит от проницаемости коллекторов. Таким образом, знание распределения проницаемости крайне важно для эффективной разработки месторождений.
Методы повышения проницаемости пласта
Существуют различные методы увеличения проницаемости пласта:
- Гидроразрыв пласта - создание искусственных трещин закачкой жидкости под давлением.
- Кислотные обработки - растворение цементирующего материала между зернами породы.
- Термические методы - нагнетание пара или горячей воды для растрескивания пласта.
- Горизонтальное и многозабойное бурение - увеличение площади контакта скважины и пласта.
Выбор метода зависит от литологии пласта, состава флюидов, глубины залегания.
Исследования проницаемости методами ЯМР и КТ
Современные методы визуализации - ЯМР и КТ - позволяют исследовать проницаемость образцов керна неинвазивно, без изменения структуры порового пространства. По данным томографии строят 3D модели образцов и рассчитывают проницаемость на основе параметров пористости.
Метод ЯМР измеряет скорость диффузии молекул воды в порах, что связано с проницаемостью. Такие методы позволяют сохранить целостность образца для дальнейших испытаний.
Моделирование проницаемости численными методами
Численное моделирование движения флюидов в пористой среде используется для расчета проницаемости. Строят цифровую 3D модель структуры порового пространства и рассчитывают течение жидкости при заданном перепаде давления.
Преимущества - возможность моделирования сложных условий, например, многофазного течения. Недостаток - большие вычислительные затраты при высокой детализации модели.
Зависимость проницаемости от эффективного напряжения
При разработке месторождений меняется пластовое давление, что влияет на эффективные напряжения в породе. Сжатие под действием напряжений снижает проницаемость. Этот эффект важно учитывать при моделировании разработки. Для некоторых коллекторов характерен гистерезис проницаемости - разные значения при загружении и разгружении.
