Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование фильтрационных свойств неоднородных коллекторов: литературный обзор и постановка задачи исследований 9
1.1 Функциональные модели проницаемости 10
1.2 Статистические модели проницаемости литолого стратиграфического типа
1.3 Фрактальные модели проницаемости . 17
1.4 Выводы 19
Глава 2. Общий анализ петрофизических характеристик терригенных коллекторов девонских отложений .
2.1 Общая литологическая характеристика терригенных пород 21
2.2. Обзор традиционных петрофизических моделей пластов горизонта Д1
2,3 Выводы 36
Глава 3. Дифференциация неоднородных коллекторов по фильтрационным свойствам
3.1 Выбор критерия дифференциации фильтрационных свойств неоднородных коллекторов
3.2 Анализ петрофизических свойств неоднородных коллекторов в связи с их дифференциацией по индексу перколяции
3.2.1 Анализ распределений основных петрофизических параметров неоднородных коллекторов
3.2.2 Анализ гранулометрических и порометрических характеристик неоднородных коллекторов
3.3 Дифференцированные зависимости проницаемости по воздуху от пористости
3.4 Выводы 62
Глава 4. Методика применения индекса перколяции при интерпретации данных геофизических исследований скважин (ГИС)
4.1 Обоснование применения критерия распознавания неоднородных коллекторов по данным геофизических исследований скважин
4.2 Дифференциация фильтрационных свойств коллекторов по данным геофизических исследований скважин (ГИС)
4.3 Выводы 80
Глава 5. Изучение фазовых проницаемостей в коллекторах различного фильтрационного типа
5.1. Основные теоретические положения и задачи экспериментальных исследований 82
5.2. Методика и аппаратура проведения исследований фазовыхпроницаемостеи при моделировании пластовых условий
5.3. Результаты экспершиентальных исследований фазовых проницаемостеи неоднородных терригенных коллекторов 99
5 А. Анализ результатов лабораторных экспериментов 100
5.5 Выводы 105
Основные результаты и выводы 109
Список использованной литературы 113
- Фрактальные модели проницаемости
- Общая литологическая характеристика терригенных пород
- Дифференцированные зависимости проницаемости по воздуху от пористости
- Дифференциация фильтрационных свойств коллекторов по данным геофизических исследований скважин (ГИС)
Введение к работе
Изучение фильтрационных свойств коллекторов имеет большое значение для построения петрофизических моделей обеспечивающих решение широкого спектра задач: от интерпретации материалов геофизических исследований скважин (ГИС) до обеспечения проектов разработки месторождений и подсчета запасов.
Весь фонд скважин, как правило, охватывается лишь геофизическими методами исследования, по которым определяются емкостные и фильтрационные характеристики коллекторов, используя петрофизические корреляционные связи между ними. Однако теснота этих связей, например, между пористостью и проницаемостью нередко весьма слабая. Между тем, точность определения фильтрационных свойств пластов, особенно послойно неоднородных коллекторов, имеет важное значение для практики интерпретации данных геофизических исследований скважин, обоснования систем разработки, подсчета запасов, разработки мероприятий по повышению нефтеотдачи пластов и т.д.
Несмотря на большое количество исследований, посвященных дифференциации фильтрационных свойств неоднородных терригенных коллекторов, в условиях Татарстана до сих пор доминирует простой способ связи абсолютной проницаемости и пористости. Статистические зависимости, построенные по результатам анализа керна либо в целом по горизонту, либо по отдельному объекту (месторождение, горизонт, пласт), не решают проблему неоднозначности в зависимостях проницаемости от пористости.
Для условий девонских отложений нефтяных месторождений Татарстана характерна высокая послойная неоднородность фильтрационных свойств пластов. В то же время обширный материал керновых исследований, накопленный за время эксплуатации указанных отложений, позволяет перейти от простых статистических моделей петрофизических связей
5 построенных по принципу объект - зависимость, к дифференцированным, с применением физически обоснованного критерия разделения объектов по
фильтрационным свойствам.
С определенной долей условности, можно выделить следующие основные направления дифференциации неоднородных коллекторов по фильтрационным свойствам:
формализованный подход, представляющий однозначную формулу зависимости пористости от проницаемости;
литолого-статистический подход, подразумевающий построение
статистических зависимостей по результатам исследования керна из конкретного объекта (как правило, горизонт, пласт, месторождение или залежь);
- формализованный на основе элементов теории перколяции и фрактальной
геометрии, предлагающий алгоритм расчета на основе фрактально-
статистических представлений о структуре порового пространства и
1 движения фильтрационного потока.
Наиболее перспективным, на наш взгляд, является направление, в котором реализован комплекс геологического, литологического и физического анализа объекта исследований. Литолого-физическая основа подобного подхода заключается в том, что:
все многообразие литологических типов коллекторов представлено в основном их ограниченным количеством, которые преобладают в составе пластов;
петрофизические свойства указанных типов перекрываются в широком диапазоне, т.е. могут иметь одни и те же величины;
терригенные коллекторы имеют общую структуру скелета -
межгранулярный тип, слагающую таким образом и однотипную структуру
уг порового пространства.
Получение более тесных зависимостей пористость - проницаемость, учитывающих различный фильтрационный тип коллектора - веление времени, поскольку действующие простые петрофизические модели не удовлетворяют требованиям современной интерпретации ГИС и не решают задачи неоднозначности в связях проницаемость - пористость.
Полезность предлагаемых исследований, по мнению автора, заключается в том, что использование дифференцированных петрофизических моделей позволит более корректно проводить интерпретацию ГИС с целью определения фильтрационных характеристик послойно неоднородных пластов и как следствие обеспечить решение задач нефтепромысловой практики на основе более надежной информации.
Основной целью работы является дифференциация неоднородных терригенных коллекторов по фильтрационным свойствам и построение адекватных петрофизических моделей для обеспечения геолого-технологического моделирования и определения фильтрационных свойств коллекторов по результатам геофизических исследований скважин.
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
1. Изучение особенностей фильтрационных свойств коллекторов девонских отложений на основе комплексного анализа петрофизических характеристик, определенных по результатам изучения большого объема кернового материала.
Обоснование критерия дифференциации неоднородных терригенных коллекторов по их фильтрационным свойствам, с целью построения более тесных зависимостей абсолютной проницаемости от пористости.
Разработка и обоснование методики идентификации коллекторов с различными фильтрационными характеристиками по результатам геофизических исследований скважин.
7 4. Изучение особенностей фазовых проницаемостей в коллекторах различного фильтрационного типа по результатам экспериментов, проведенных при моделировании пластовых условий.
Задачи, поставленные в диссертационной работе, решены с помощью статистических методов и экспериментальных исследований на керновом материале.
Предметом исследований являются фильтрационные характеристики терригенных коллекторов девона нефтяных месторождений Татарстана.
В работе рассмотрены и критически проанализированы основные методологические подходы в решении задач оценки фильтрационных свойств коллекторов.
На примере обширного материала керновых исследований терригенных пород Татарстана показано, что основные литологические типы пород продуктивных отложений девона обладают петрофизической инвариантностью. Петрофизические характеристики пород (пористость, проницаемость по воздуху, остаточная водонасыщенность) для разных литологических типов перекрываются в широком диапазоне.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований:
1, Предложен и обоснован критерий дифференциации фильтрационных
свойств терригенных коллекторов — индекс перколяции.
2. Выявлена закономерность распределения индекса перколяции для
множества литологических типов терригенных коллекторов девонских
отложений. На большом количестве анализов кернового материала показано,
что в терригенных коллекторах девона выделяются коллектора со
значениями индекса перколяции: менее 0,1 мкм, от 0,1 до 0,2 мкм и более 0,2
мкм. Для указанных типов коллекторов на примере различных площадей
Ромашкинского, Ново-Елховского месторождений и месторождений
прикамской группы Татарстана установлены дифференцированные
зависимости проницаемости от пористости.
Предложена методика идентификации фильтрационных свойств коллекторов по результатам геофизических исследований скважин (ГИС).
По результатам экспериментов, проведенных при моделировании пластовых условий, получены относительные фазовые проницаемости для коллекторов различного фильтрационного типа.
Основные защищаемые положения.
1. Критерий дифференциации фильтрационных свойств неоднородных
терригенных коллекторов - индекс перколяции.
2. Методика построения дифференцированных зависимостей проницаемости
по воздуху от пористости по результатам лабораторных исследований керна.
3. Методика идентификации фильтрационного типа коллектора по данным
геофизических исследований скважин.
4. Зависимость фазовых проницаем остей по воде и нефти и коэффициента
вытеснения в терригенных коллекторах смешанного типа смачиваемости от
индекса перколяции (фильтрационного типа).
Практическая ценность работы. Проведенные исследования позволяют более корректно оценить фильтрационные характеристики неоднородных пластов с целью обеспечения работ по построению гидродинамических моделей, планированию мероприятий по увеличению нефтеотдачи пластов, интерпретации материалов геофизических исследований скважин.
Фрактальные модели проницаемости
За последние 30 лет в геометрической науке сформировалось новое научное направление - фрактальная геометрия /7/. Предметом фрактальной геометрии являются сложные, ветвящиеся, самоподобные структуры, описание которых с помощью традиционного математического аппарата не представляется возможным. В частности, примером фрактальных структур в неоднородных пористых средах могут служить структуры пор и поровых каналов реальных горных пород, структура линий гидродинамического тока в этих породах, форма и пространственное распределение поверхностей пор и поровых каналов, линии электрической проводимости неоднородных поровых систем, строение нефтеносных и водоносных пластов и покрышек, поверхности водонефтяных контактов и т.д. Примеры применения аппарата фрактальной геометрии с целью построения фильтрационных моделей в условиях неоднородных пористых сред можно найти в работах В.В Кадета, А.А.Максименко /8/, А.В.Мальшакова, В.А.Ефимова /12/, Е.Федера /7/, А.Н.Бродского /11/ и других.
Развитие приложений фрактальной геометрии в области построения фильтрационных моделей различного типа оформилось в отдельное направление, названное теорией перколяции (протекания). Суть приложения теории перколяции к пористым полидисперсным структурам, каковыми считаются горные породы, заключается в представлении всей пористой системы, как сложной ветвящейся структуры, внутри которой существуют системы участвующие и не участвующие в процессе фильтрации. При этом полагается, что в породах-коллекторах отсутствует так называемая закрытая пористость /13/. В сложных структурах, образование системы фильтрационного дерева (кластера) носит случайный характер и зависит от элементов впервые создавших протекание. Л.И. Хейфиц и А.В. Неймарк /14/ получили выражение для проницаемости, как функции объемной доли пор с радиусами больше критического. Для образования древа тока (бесконечного кластера течения или перколяции) в сложной пористой среде необходимо соблюдение условия: Sf Др/, здесь Sf - объемная доля потока, Apt - перепад давления, р - показатель вероятности того, что пора принадлежит бесконечному перколяцио иному кластеру (участвует в процессе течения).
Построение фрактальной модели перколяции (протекания) жидкости и газа в неоднородной пористой среде предполагает знание аналитического выражения функции распределения фильтрующих пор и поровых каналов по размерам. Кроме того, корректное моделирование процессов перколяции в указанных средах требует определения фрактальной размерности структуры (размерности Хансдорфа-Безековича). Как отмечает Е.Федер 111, подобная задача удовлетворительно решена лишь для плоскости. Переход к решению трехмерной задачи вызывает целый ряд трудностей, не разрешенных на сегодняшний день. Тем не менее, развитие приложений теории перколяции в области построения фильтрационных моделей является весьма перспективным направлением. Следует также отметить, что фрактальные модели наиболее распространены в области изучения механизма многофазной фильтрации в пористой среде. Эти модели, как правило, предполагают, что базовые петрофизические параметры - пористость, абсолютная проницаемость, остаточная водонасыщенность известны.
Итак, на основании обзора различных моделей проницаемости и способов их построения можно сделать следующие выводы:
1. Все многообразие петрофизических моделей проницаемости можно условно разделить на функциональные, статистические и фрактальные.
2. Наибольшее распространение в практике работ по обеспечению проектов разработки, подсчету запасов и интерпретации материалов геофизических исследований скважин имеют модели статистического типа /6,26,27/.
3. Фрактальные и функциональные модели проницаемости применяются в отдельных случаях, зачастую обусловленных применяемой аппаратурой исследований и решаемыми задачами. При этом «универсальность» указанных моделей в значительной степени ослабляется необходимостью введения «поправочных» коэффициентов в случае функциональных моделей, или сложностью получения численных характеристик структуры породы и фильтрационного потока в случае фрактальных моделей.
4. Для дифференциации неоднородных коллекторов по фильтрационным свойствам и усиления степени связи в петрофизических зависимостях проницаемости от пористости, оптимальным представляется следующий подход: основываясь на керновых исследованиях и изучении поведения петрофизических параметров для всего литологического спектра пород, слагающих терригенные отложения девона, определить комплексный физически обоснованный параметр дифференциации фильтрационных свойств коллекторов.
Общая литологическая характеристика терригенных пород
В работе использован материал лабораторных исследований керновых данных по девонским отложениям Ромашкинского и Ново-Елховского месторождений Татарстана, выполненных в разные годы в лаборатории петрофизических исследований ТатНИПИнефти, под руководством Даниловой Т.Е., Губайдуллина А.А.,Е.А. Козиной, А.А., Юдинцева Е.А. и Других. Использованный в исследованиях объем кернового материала по каждой площади указанных месторождений приведен в табл. 2.1. По своей литологической характеристике, образцы керна, представлены терригенными породами со структурой в широком диапазоне - от илистых до среднезернистых, сортировкой зерен от умеренной до хорошей, формой зерен от полу-угловатой до полу-окатанной, редко окатанной. Осадочный комплекс неопределенного волнистого наслоения с включениями выравненых структур зерен, слоев слюды, органических обломков. Диагенез коллекторов характеризуется ранней и поздней стадией. При этом ранний диагенез, обусловленный наличием водо-чувствительных глин и направленный на развитие зернистого покрытия пластической глины, представлен незначительно. Поздний диагенез, обусловленный реакциями, происходящими по мере повышения давления и температуры, направлен на разложение неустойчивых структур полевого шпата, с последующим образованием агрегатов каолинита рядом с участками разложения зерен. Структура порового пространства, в основном представлена первичной межзерновой пористостью и регулируется, как правило, размером зерен, хотя наличие кварцевого цемента снижает общий размер пор и диаметр поровых каналов.
По сложившейся на сегодняшний день литологической классификации /31,50 /, в сложении пластов горизонта Д-1 принимают участие следующие типы пород, связанные взаимопереходными разностями :
I тип - песчаники средне- и разнозернистые;
II тип - песчаники мелкозернистые и их алевритовые разности;
III тип - алевролиты крупнозернистые и их песчаные разности;
IV тип - алевролиты разнозернистые, песчаные;
V тип - алевролиты мелкозернистые и глинистые разности алевролитов и песчаников. В составе пластов преобладают породы II и III групп. Все песчано-алевролитовые породы мономинеральны, обломочный материал на 94-96% представлен кварцем, с небольшой примесью зерен полевых шпатов, чешуек мусковита и обычным комплексом устойчивых минералов, составляющих менее 1% весовых /29,30,31/. Важно отметить, что пелитовая фракция в песчано-алевролитовых породах полштнсральпа и представлена сочетаниями кварца или кальцита, слюды, титаносодержащих (лейкоксен, анатаз), каолинита, гидрослюд и хлорита. Содержание глинистых минералов в пелитовой фракции составляет 15-20% весовых для Ромашкинского месторождения и до 40% для месторождений крайнего юго-востока Татарстана /29,30/. Для пород горизонта Д-1 характерна рыхлая укладка, обеспеченная «каркасом» из укладок сросшихся зерен, принимающих на себя горное давление.
С точки зрения построения петрофизических моделей важно отметить следующие основные литологические характеристики пород пластов горизонта Д-1 /50/:
1. Пласты сложены в основном мелкозернистыми песчаниками в разной степени алевролитовьши и алевролитами крупнозернистыми песчаными.
2. Коллекторские свойства определяются сортировкой обломочного материала, содержанием глинистого и мелко-алевролитового материала, интенсивностью прцессов уплотнения и окварцевания.
3. Пласты горизонта Д-1 характеризуются единством гранулометрического состава, общей направленностью вторичных процессов, преобразования осадков на стадиях диагенеза и катагенеза.
Таким образом, привлеченный к анализу керн представлен широким диапазоном различных литолого-фациальных свойств. 2.2. Обзор традиционных петрофизических моделей пластов горизонта Д1
В начале, для характеристики многообразия петрофизических свойств терригенных коллекторов, рассмотрим частотные распределения для основных петрофизических параметров: проницаемости по воздуху, пористости, остаточной водонасыщенности (рис.2Л - 2,4) построенных по результатам керновых данных из пластов горизонта Д-1 Ромашкинского и Ново-Елховского месторождений.
Несмотря на высокую степень литологической неоднородности пород слагающих горизонт Д1, распределения носят «спокойный», одномодальный характер. Из анализа указанных распределений можно сделать следующие выводы:
- многообразие литологического состава представлена петрофизическими характеристиками, укладывающимися в один широкий интервал;
- петрофизические параметры одного и того же значения могут быть присущи различным литологическим типам коллекторов.
Для подтверждения последнего вывода рассмотрим, например, распределения пористости, проницаемости по воздуху и остаточной водонасыщенности для двух основных литологических групп пород, слагающих отложения горизонта Д1 Ромашкинского месторождения, а именно - песчаников и их алевролитовых разностей и алевролитов и их песчаных разностей (рис. 2.5 - 2.7). В данном случае наблюдается четкое различие в модальных, а следовательно и в средних значениях при практическом совпадении интервалов изменений числовых значений параметров.
Дифференцированные зависимости проницаемости по воздуху от пористости
Целью данных исследований являлось обеспечение ГИС ключом для распознавания фильтрационного типа коллектора и, соответственно, указание на тип зависимости, используемой для определения абсолютной проницаемости от пористости.
Как уже отмечалось выше, весь фонд скважин, как правило, охватывается лишь геофизическими методами исследования, по которым на основе петрофизических зависимостей, полученных по результатам керновых исследований, определяются емкостные и фильтрационные характеристики коллекторов. При этом точность определения фильтрационных свойств пластов, особенно в условиях послойно неоднородных коллекторов, имеет важное значение для геологов, геофизиков и разработчиков.
Создание методики распознавания коллекторов с различной фильтрационной характеристикой на основе физически обоснованных критериев одна из важнейших задач, от решения которой зависит практическая применимость дифференциации фильтрационных свойств коллекторов. Для применения различных зависимостей абсолютной проницаемости от пористости при интерпретации материалов ГИС необходима, прежде всего, предварительная дифференциация исследуемого разреза на коллекторы с различными фильтрационными свойствами.
В настоящее время существует обширный набор разнообразных комплексов геофизических исследований скважин /85/. Выбор конкретных аппаратно-программных средств и их применение зависят от конкретных геолого-технических условий и не являются задачей данных исследований. В работе поставлена задача определить практическую возможность использования готовых результатов ГИС с целью распознавания фильтрационной неоднородности терригенных коллекторов на основе применения петрофизической зависимости критерия фильтрационной неоднородности (индекса перколяции) от остаточной водонасыщенности, полученной на основе изучения кернового материала.
Предлагаемая методика основана на результатах анализа различных физических свойств пород по результатам исследований кернового материала. Как было показано в главе 3, индекс перколяции непосредственно связан с распределением фильтрующих каналов, а типы коллекторов, выделенные по индексу перколяции, обладают обособленными распределениями остаточной водонасыщенности.
С другой стороны, известно /47,48,49,50,51/, что содержание остаточной водонасыщенности может быть определено геофизическими методами. Наиболее перспективными направлениям в этой области следует отметить следующие:
- комплекс фокусированного индукционного и акустического каротажа и их модификации /18/;
- комплекс гамма-гамма шютностного (ГГК-П) и литоплотностного (ГГК-ЛП) каротажа /54/;
- комплекс ядерного магнитного каротажа в сочетании с нейтронными и электрометрическими методами /4,47,53/.
Выше указанные комплексы позволяют довольно эффективно и с достаточной точностью определять содержание остаточной (неподвижной) водонасыщенности, которая в свою очередь коррелирует с фильтрационной характеристикой породы /37-40/.
Исходя из вышеизложенного, были проведены исследования связи индекса перколяции неоднородных терригенных коллекторов и остаточной водонасыщенностью, определенной на образцах керна.
В результате были получены статистические зависимости индекса перколяции (1р) от остаточной водонасыщенности (Ков) для различных площадей месторождений Татарстана. Аналитические выражения полученных зависимостей приведены в в табл. 4.1
Нетрудно заметить, что полученные зависимости довольно незначительно отличаются друг от друга. Особенно хорошо это видно из рис. 4.1. Отличия обусловлены в большей мере вариацией в объемах выборок и их наполнением, а не отличиями литолого-физических характеристик пород указанных объектов. Из этого следует вывод о том, что выбранная зависимость объективно отражает физическую связь между содержанием остаточной водонасыщенности и комплексным параметром - индексом перколяции.
По результатам анализа керна из скв. 24554 Азнакаевской площади построена зависимость индекса перколяции от остаточной водонасыщенности (рис. 4.2). Следует отметить, что зависимость, приведенная в табл. 4.1 получена по результатам анализа кернового материала по двум площадям Ромашкинского месторождения - Абдрахмановской и Азнакаевской, и на момент расчета последней, в исходном массиве отсутствовали данные анализа керна из скв. 24554. Совпадение коэффициентов в указанных зависимостях и высокие коэффициенты корреляции также подтверждают объективность установленной связи между индексом перколяции и остаточной водонасыщенностью.
Зависимость индекса перколяции от остаточной водонасыщенности по керну из скв. 24554 Азнакаевской площади Следует обратить внимание на то, что при определении фильтрационного типа коллектора, по величине индекса перколяции полученного по вышеприведенным зависимостям, для идентификации типа коллектора имеет значение лишь интервал, в который попадает индекс, а не его конкретная величина. Данное обстоятельство уменьшает вероятность промахов при определении фильтрационного типа коллектора, а затем по соответствующей зависимости, и величины абсолютной проницаемости по пористости.
Дифференциация фильтрационных свойств коллекторов по данным геофизических исследований скважин (ГИС)
Впервые стройная теория относительных фазовых проницаемостей была представлена Баклеем и Леверетом в 1942 г. /60/.
Уэлдж, в 1952г., /61/ предложил метод контроля текущей водонасыщенности в кернах при проведении экспериментов по методу вытеснения нефти водой.
В 1953 г., X. Бурдайн /63/ предложил инженерные формулы расчета фазовых проницаемостей.
В 1959 г., Е. Джонсон, Д. Босслер и В. Наумэн /62,71/ разработали методику графоаналитического метода определения относительных фазовых проницаемостей по результатам экспериментов по вытеснению.
Основы практического применения теории движения флюидов в пластах разработаны С.Д. Пирсоном /1/ и Дж. Амиксом /64/ в конце 50-х, начале 60-х годов прошлого столетия.
Большой вклад в развитие экспериментальных исследований фазовых проницаемостей коллекторов внесли отечественные ученые В.Д. Лысенко, Е.С. Ромм, Л.Е. Кнеллер, Р.Н. Дияшев, И.Ф. Глумов, Б.И. Тульбович, А.Г. Ковалев, А.В. Берлин, Е.В. Теслюк, В.В. Кадет, А.А. Максименко, М.Л. Сургучев, Ю.В. Желтов, Э.М. Симкин, С. Джонс, И. Чанг, X. Салиш, Е.Федер, В. Андерсон, Р. Слобод и другие.
Дальнейшие исследования зарубежных и отечественных ученых были направлены на развитие фундаментальных исследований вышеуказанных авторов, в частности, в свете практического применения инструмента фазовых проницаемостей.
Процесс фильтрации жидкости в пористой среде горных пород обусловлен сложной системой взаимодействия сил различной природы. Согласно существующих теоретических представлений, в процессе фильтрации, проходящей в системе со сложной структурой порового пространства, действуют гравитационные, вязко-упругие и капиллярные силы / 72/.
Капиллярные силы обусловлены молекулярными взаимодействиями на границе твердая фаза - жидкость (газ) и определяются способностью жидкости прилипать (смачивать) к поверхности породы. Величина напряжения адгезии (прилипания) определяется уравнением /84/:
Л =0 0050,
где: аш - величина силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость - поверхность, дин/см; в - угол смачивания, град. Величина угла смачивания в определяет направление действия силы адгезии: при в 90 напряжение адгезии Aj положительное, т.е. жидкость не прилипает к поверхности (не смачивает) , при в 90 — Ат отрицательное, жидкость смачивает поверхность.
Величина капиллярного давления рСу возникающего в капилляре радиуса г, определяется известным уравнением Уош борна:
С другой стороны, капиллярное давление уравновешивается гравитационными силами:
где: g - ускорение свободного падения,
h - высота столба жидкости над водонефтяным контактом, yw - плотность пластовой воды, Yo - плотность пластовой нефти. Гравитационные силы проявляются в процессах разделения фаз с различными удельными весами в вертикальном направлении и могут, либо совпадать с направлением действия капиллярных сил, либо действовать в противоположном направлении.
Уравнение Plateau /84/ устанавливает связь между геометрией упаковки и капиллярным давлением:
где: г/ - радиус кривизны раздела нефть-вода,
г2 - радиус элемента упаковки (зерна). Из приведенного уравнения следует что:
- со снижением водонасыщенности капиллярное давление растет, т.к. уменьшается г і;
- в породах с меньшей проницаемостью, капиллярное давление выше (гз меньше).
В зависимости от типа смачиваемости горные породы подразделяются на гидрофильные, гидрофобные и породы промежуточной смачиваемости.
В практике, для численной оценки величины смачиваемости используются различные методики, основанные на результатах экспериментов по вытеснению смачивающей и несмачивающей фазы из образцов /74,83,90/. Смачиваемость пород может быть определена величиной показателя М (согласно ОСТа /92/). Показатель М характеризует гидрофильность коллектора: для полностью гидрофобного коллектора М=0, а для полностью гидрофильного - М=1. Численно показатель М равен отношению объема керосина, вытесненного при капиллярной пропитке водой, к общему объему керосина, вытесненного при капиллярной пропитке и центрифугировании в воде, и по сути является аналогом метода Аммота (E.Amott, 1959, /74/). :ф По существующим представлениям /1,31,33,50,58/, формирование осадочных накоплений, происходившее в водной среде, определяет генетически изначальную гидрофильность коллекторов нефти и газа. Последующее формирование залежей нефти и газа приводило к изменению типа породы с гидрофильной на гидрофобную за счет процессов заполнения водонасыщенного порового пространства нефтью и ионного обмена между породой и полярными компонентами углеводородов. Благодаря процессам адсорбции и перемещения органического вещества в поровом пространстве, многовалентные ионы, входящие в состав нефти - Са , Mg , Си , Fe , меняют изначально отрицательный потенциал кварцевой поверхности песчаника, что приводит к инверсии смачиваемости от гидрофильной к гидрофобной. Аналогичные процессы могут быть обусловлены и привнесенными извне многовалентными ионами (например в процессе закачки технологических жидкостей и вод различной степени очистки). Кроме того, инверсия смачиваемости может быть вызвана процессами ионного замещения в минералах матрицы породы (в том числе ее глинистой части) за счет электрохимических реакций, например А1+ - Si 4 или Mg+2 - А1+3, и различий энергий удельных поверхностей матрицы и глинистых минералов. Действительно, удельная поверхность песчаника около 0,01 м /г, каолинита -20 м /г, иллита - 80 м /г, смектита — 800 м /г
Одной из основных литологических особенностей пород, слагающих терригенные отложения девона, является сочетание мономинеральной кварцевой матрицы с рассеянной в ней полиминеральной глиной. Степень влияния глинистых минералов может быть оценена хотя бы по тому факту, что при ее содержании в породе в количестве более 2% весовых, фильтрационные свойства значительно ухудшаются /50/. При сколь угодно малых объемах породы, в ней всегда имеются области представленные всем спектром молекулярных взаимодействий на границе жидкость - твердая фаза. Поэтому, речь может идти о преобладании определенного типа смачиваемости в общем фильтрующем объеме породы /68,73,84/. Косвенным подтверждением сказанному могут служить результаты исследований распределения смачиваемости в породах девонских отложений месторождений Татарстана /91/. Средние значения и распределения значений показателя смачиваемости по основным продуктивным горизонтам приведены на рис. 5.1 и 5.2. Как следует из приведенных рисунков, для пород девонских отложений (горизонты ДО и Д1) характерно наличие широкого спектра смачиваемости: от гидрофобных (показатель смачиваемости 0 - 0,2) до гидрофильных (показатель смачиваемости 0,8 - 1,0). При этом, если судить по величине средних значений показателя смачиваемости, в породах кыновских отложений (горизонт ДО) преобладают гидрофобные породы, а в пашийских (горизонт Д1) породы промежуточной смачиваемости.
Из рис.5.2 следует, что в терригенных отложениях девона, на долю гидрофобных пород и пород с промежуточной смачиваемостью приходится около 80%.
