Стандартные исследования образцов горных пород

1. Стандартные исследования образцов горных пород

- методы получения значений ФЕС
образцов горных пород;
- физические основы методов.
Основные коллекторские свойства горных пород,
определяющие их способность вмещать и
пропускать через себя жидкости и газы при
перепаде давления, называются фильтрационноёмкостными свойствами (ФЕС).

2.

Коэффициент пористости – отношение объема пор в
породе к видимому объему образца
3 ВИДА ПОРИСТОСТИ
ПОЛНАЯ (ОБЩАЯ)
ОТКРЫТАЯ
отношение суммарного объема пор
Vпор в образце породы к видимому
его объему Vобр
отношение объема порового пространства,
включающего сообщающееся между собой
поры, к общему объему образца.
ДИНАМИЧЕСКАЯ (ЭФФЕКТИВНАЯ)
отношение только объем тех пор, через которые
возможно движение жидкости или газа в данном
направлении под воздействием сил, соизмеримых с
силами, возникающими при разработке и эксплуатации
нефтяных месторождений, к общему объему образца.

3. Измерение общей пористости

V – объем,
[м3;
Vобр
Vпор
kп
Vобр
Vпор
Vобр Vпор Vзерен
Vзерен
Vпор Vобр Vзерен
см3]
Kп – коэффициент пористости, [д.ед; %]
М – масса, [кг; г]
- плотность, [кг/м3; г/см3]
g – ускорение свободного падения 9,8 м/с2
Vзерен
kп 1
Vобр

4. Измерение открытой пористости

Метод Преображенского (взвешивания)
M сух зерен Vзерен ,
M нас зерен Vзерен ж Vпор ,
M взв зерен Vзерен ж Vпор ж Vобр ,
Fg M нас g ,
kп
Fa ж Vобр g ,
М нас М сух
М нас М взв
объем
Fg
ж Vпор
ж Vобр
М сух ж
М нас М взв
м инер
Fа
М сух ж
М сух М взв

5. Измерение открытой пористости

Газоволюметрический метод (AP-608)
p1 V1 p2 (V1 Vпор V* )
Закон Бойля-Мариотта
p1V1 p2V2
при T const , pV const

6. Измерение открытой пористости

Газоволюметрический метод
S
d2
объем
4
М сух
Vобр
насыщ
Vобр S L
м инер
kп
М сух
Vзерен
L
Vпор
Vобр
S
М сух
Vобр Vпор
объем
1 кп
М нас М сух М ж
объем ж кп
Vобр
Vобр

7.

Закон Дарси
Q – объемный расход [м3/с],
H1 H 2
Q C
S
L
H – напор [м],
С – коэффициент фильтрации [м/с]
Уравнение Бернулли
H z
p
ж g
2
2g
2g
0
kпр р р
Q
S
L
Q
S
2g
p* ж g H ж g z p
*
1
ж g
*
2
kп ср
f
P1
P2
H1
Z1
P2
P1
H2
l
Схема опыта Дарси
Z2

8. Закон Дарси Размерность проницаемости

kпр р1 р2
L
С
kпр
g,
Проницаемость абсолютная
(физическая) – проницаемость
пористой среды для газа или
однородной жидкости при
следующих условиях:
1. Отсутствие физико-химического
взаимодействия между пористой
средой и этим газом или
жидкостью.
2. Полное заполнение всех пор
среды этим газом или жидкостью.
Q – объемный расход; [q] = м3 / с
μ – вязкость жидкости; [μ] = Па∙с
∆p – перепад давления; [∆p] = Па
L – длина образца пористой среды; [L] = м
S – площадь поперечного сечения образца; [A] = м2
Q L
kпр
S p
L3 P T L 1 1
kпр
L2
1 1 P L2
T
В системе СИ [kпр] = м2.
Внесистемные единица – Дарси (1Д)
Часто используют производную единицу – мкм2
1 Д 1,02 10 12 м 2 1мкм 2 1мД 1,02 10 15 м 2 10 3 мкм 2

9.

Определение абсолютной проницаемости
образцов горных пород по газу
Газ – сжимаемая система и
при уменьшении давления
по длине образца
объёмный расход газа
непостоянный.
kпр р1 р2
кг т
Q
Q
Q
const
,
L
m
атм атм
ср ср
с ; сут
kпр ср р1 р2
Q — расход газа при атмосферном давлении ратм.
Qm
S атм
p1 p2
L
p
,
ср
Закон Бойля-Мариотта
pсрVср pатмVатм
kпр р12 р22
Qатм
S
2 ратм L
ср
атм рср
ратм
2
атм р1 р2
2 ратм

10.

Определение абсолютной проницаемости
образцов горных пород по газу
Кернодержатель
Qатм
Расходомер
Газ
Датчики давления
Образец керна
P1
P2
∆P = P1 – P2
Компрессор
kпр
2Qатм pатм L
( p12 p22 )S
Проницаемость по воздуху

11. Эффект Клинкенберга (проскальзывания газа)

kж
kг
1
b
pср
kж – проницаемость по жидкости по
Клинкенбергу (мД)
kг – проницаемость по гелию (мД)
b – постоянная Клинкенберга
(зависит от газа и породы коллектора)
pср= (p1+p2)/2 – среднее давление
эксперимента
p1 – давление на входе образца (атм)
p2 – давление на выходе образца (атм)
Проницаемость по газу (мД)
Проницаемость по газу больше чем проницаемость по жидкости.
Причина - проскальзывание молекул газа по поверхности зерен породы, поскольку длина
свободного пробега молекулы газа соизмерима с размерами пор. Т.е. в отличии от жидкости
молекулы газа у стенки поры имеют ненулевую скорость.
k =kж
Проницаемость по жидкости
Значения постоянной Клинкенберга для различных газов:
b= 0.5 для азота
b= 0.7 для воздуха
b= 0.9 для гелия
1/pср (1/атм)

12.

Нарушение линейного закона Дарси
При больших скоростях фильтрации закон Дарси нарушается вследствие
того, что силы инерции, возникающие в жидкости, становятся
соизмеримыми с силами трения. Скорость фильтрации (или дебит) при
которой(м) происходит такое нарушение закона Дарси называется
критической скоростью фильтрации кр (критическим дебитом Qкр ).
Re
a
10 k
m2.3
Reкр =1
В.Н. Щелкачев
Если Re Reкр, то закон Дарси выполняется,
а если Re ≥ Reкр, то закон Дарси нарушается
Закон Форшгеймера
(двучленный закон фильтрации)
p
L
k
k
2
Отклонения от линейного закона
Дарси наблюдаются и при малых
скоростях фильтрации. Это связано
с
проявлением
неньютоновских
свойств фильтрующихся жидкостей, а
также
других
физико-химических
эффектов (учет сил межфазного и
межмолекулярного взаимодействия).

13.

Определение абсолютной проницаемости образцов
горных пород по газу (AP-608)
Закон Форшгеймера (двучленный закон фильтрации для идеального газа)
2
p22 p12 2 pатмQатм 2 pатмQатм
С учетом эффекта Клинкенберга
2
L
kS
S
Рассчитывается: абсолютная проницаемость по гелию,
абсолютная проницаемость по Клинкенбергу,
коэффициент Форшгеймера, коэффициент Клинкенберга

14. Принципиальная схема установки BPS-805

Определение абсолютной проницаемости образцов
горных пород по жидкости (BPS-805)
Q L
k пр
р1 р2 S
Принципиальная схема установки BPS-805

15.

Зависимости абсолютных проницаемостей по модели
пластовой воды и по Клинкенбергу от абсолютной
проницаемости по газу (гелию)
200
K, мД
180
y = 0,966x
R2 = 0,999
160
140
120
y = 0,571x
R2 = 0,894
100
80
60
40
20
Kклинк = f(Kгелий)
Kгелий, мД
Kвода = f(Kгелий)
0
0
50
100
150
200
250
300

16. Изменение абсолютной проницаемости kвода при фильтрации воды с различной концентрацией NaCL (Cмин). Восточно-Сургутского месторождение

Kв, мД
1 – С=20 г/л
2 – С=15 г/л
3 – С=10 г/л
4 – С=7,5 г/л
5 – С=5 г/л
6 – С=2,5 г/л
7 – С=1,25 г/л
8 – С=0 г/л
9 – С=20 г/л
Q=1 cм3/мин
1 2 34 5 6
7
8
9
t, мин

17. Двойной электрический слой (ДЭС) на границе твердая фаза – раствор электролита

Под набухаемостью понимают способность глинистых пород увеличивать
объем в процессе взаимодействия с водой или водными растворами.
Процесс набухания сопровождается увеличением влажности, объема породы
и возникновением давления набухания.
hДЭС
1
RT
2 F С мин Z1 Z 2
— диэлектрическая постоянная;
R — газовая постоянная; 8,31 Дж/(моль*Кл)
Т — температура;
Z — заряд иона (валентность);
F — число Фарадея =96400 Кл/моль
С — концентрация ионов, моль/литр
1 – твердая фаза;
2 – слой Штерна;
3 – диффузный слой Гуи;
4 – свободный раствор
0 — электрическая константа. 8,85* 10 12 Ф/м

18. Зависимости проницаемости по дистиллированной воде (kд) и водопроницаемости на 2-ом этапе (kв2) от водопроницаемости на 1-ом этапе (kв1) для обр

1,4
Зависимости
проницаемости по
дистиллированной воде
(kд) и водопроницаемости
на 2-ом этапе (kв2) от
водопроницаемости на 1ом этапе (kв1) для
образцов ВосточноСургутского
месторождения пласт ЮС2
Kв,
5,5
мД
kд, kв2 (мД)
1,2
y = 0,734x
2
R = 0,947
1,0
0,8
y = 0,535x
2
R = 0,900
0,6
0,4
0,2
Kд=f(Kв1)
Kв2=f(Kв1)
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
kв1 (мД)
1,8
y = 0,3355Ln(x) + 3,9024
2
R = 0,9852
5
4,5
4
y = 0,1953Ln(x) + 2,6447
R2 = 0,9976
3,5
3
y = 0,2335Ln(x) + 2,2429
2
R = 0,9848
2,5
2
1,5
6127-07
6091-07
6069-07
1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18 Cмин,
20г/л
Зависимости
водопроницаемости (Kвода) от
концентрации NaCl в растворе
(Cмин)

19.

1) выбор рабочего реагента для измерения абсолютной
проницаемости образцов горных пород должен
осуществляться в соответствии с условиями поставленной
задачи и учитывать все основные физико-химические
особенности процесса фильтрации;
2) призабойная зона коллектора при попадании в него пресного
фильтрата промывочной жидкости будет иметь пониженную
проницаемость вне зависимости, содержит пласт набухающие
глины или нет;
3) при эксплуатации месторождения с применением заводнения
снижение минерализации закачиваемой воды может привести
либо к необратимому уменьшению проницаемости
коллектора, либо к полному прекращению притоков в
эксплуатационные скважины.