10. Коллекторские свойства горных пород

Важнейшим свойством горных пород является их способность вмещать флюиды, пропускать их через себя, или, наоборот – быть непроницаемыми. Все эти свойства носят название коллекторские.

Изучение коллекторских свойств горных пород проводится прямыми методами – по образцам керна (кусочкам породы, вынутым из скважины), или косвенными – по геофизическим материалам, по испытаниям скважин на приток. Лабораторное изучение керна – прямое, точное и достоверное. Однако из–за того, что керн обычно разламывается по трещинам, они выпадают из поля зрения исследователя, в результате чего реальная проницаемость пород зачастую оказывается больше, чем определено при лабораторных исследованиях. Поэтому В.Д. Скарятин рекомендует рассматривать трещинный коллектор в виде совокупности двух сред:

Рис. 11.1. Карбонатный разрез на левом берегу реки Мста

–блоков горных пород, размером от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (матрицы коллектора), где основная емкость и фильтрация обусловлены порами, кавернами и мелкими трещинами сообщающимися друг с другом;

–межблокового пространства, представляющего собой крупные протяженные трещины и зоны дробления пород с приуроченными к ним расширениями, кавернами, пещерами и другими полостями.

Итак, горные породы, обладающие способностью вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке, называются коллекторами. Абсолютное большинство пород-коллекторов имеют осадочное происхождение. Коллекторами нефти и газа являются как терригенные (пески, алевриты, песчаники, алевролиты и некоторые глинистые породы), так и карбонатные (известняки, мел, доломиты) породы. Практически со всеми перечисленными горными породами мы встречались во время практики. В маршруте №4 в точке наблюдения №12 на левом берегу р. Мста мы познакомились с разрезом, представленным доломитами, известняками и мергелями и убедились, что он обладает хорошими коллекторскими свойствами (рис. 11.1).

Кроме пород-коллекторов существуют породы слабопроницаемые, или практически непроницаемые. Такие породы называются породами-флюидоупорами (покрышками). Лучшие из них – каменная соль и глина. Особенно хорошие изолирующие свойства у монтмориллонитовой глины, способной разбухать в воде. Большая часть горных пород имеет средние коллекторские и изолирующие свойства. В результате флюиды не могут спокойно мигрировать по породе и в то же время не являются надежно удержанными. Такие породы называют ложными покрышками. Так в маршруте №4 в точке наблюдения №12 карбонатную толщу, которую мы подробно изучали и в которой отбирали образцы, подстилает водоупорный горизонт красных глин. С породами-флюидоупорами мы встретились и в маршруте №5 в точке наблюдения №17 на правом берегу реки Мста у моста объездной дороги города Боровичи. Здесь мы увидели обнажение пород, представленных чередованием белых, красных и зелёных глин (рис. 11.2). А в маршруте № 8 в точке наблюдения №30 в правом борту аммонитового оврага мы обнаружили выходящие на поверхность глины, которые являются основным водоупором в данном районе.

Рис. 11.2. Белые, красные, зелёные глины на левом берегу реки Мста

Классификации коллекторов и флюидоупоров многочисленны и разнообразны. Среди коллекторов чаще всего выделяют поровые (обусловленные гранулярной пористостью), кавернозные, трещиноватые и смешанные (кавернозно–трещиноватые, трещиновато–поровые, кавернозно–трещиновато–поровые) коллекторы (см. рис. 11.3).

Рис. 11.3. Виды коллекторов: а,б,в,г–поровые коллекторы: а–высокопористый, образованный хорошо отсортированными частицами; б– плохо отсортированная, низкопористая порода; в– хорошо отсортированная, высокопористая порода сложенная проницаемыми частицами; г– хорошо отсортированная сцементированная порода; д– каверновые поры; е– трещинные поры.

В целом породы - коллекторы характеризуются такими свойствами как пористость, проницаемость и трещиноватость.

Пористость

Пористость горной породы характеризуется наличием в ней пустот (пор), являющихся вместилищем для жидкостей (воды, нефти) и газов, находящихся в недрах Земли. То есть пористость – это объем порового пространства, который оценивается отношением объема пор к объему горной породы. Выраженная в процентах эта величина называется коэффициентом пористости.

m=V_п/V_общ*100%,

где m – пористость пород, V_п - объем пор в образце породы, V_общ – объем всего образца.

Пористость чистого стекла – 0%, пористость гранита от 1 до 3 % , пористость песчаников 10–20 и не более 33 % , пористость хлеба 50–70%, пористость пуховой подушки до 85%, то же для пустой бутылки, считая за пору ее полезный объем. В нефтегазовой геологии обычно различают три вида пористости.

1)Общая пористость характеризует все виды пор, в том числе и самые мелкие, поэтому общая пористость сухих глин, как правило, выше пористости песчаников.

2)Открытая пористость характеризует сообщающиеся поры, которые могут поглощать жидкость или газ; открытая пористость соответствует общей.

3)Эффективная пористость характеризует совокупность пор, через которые происходит миграция флюида, то есть это те поры, в которые он может не только проникать, но и быть извлеченным. Таким образом, это объем пор с учетом остаточной воды. Поэтому эффективная пористость для воды, нефти и газа различна, более того она различна для их смеси в разных соотношениях. Пористость сухих образцов колеблется в широких пределах, но достаточно определенна для каждого типа пород.

Общая пористость больше, чем открытая, а открытая больше, чем эффективная. Строение порового пространства определяется размерами, формой и пространственными взаимоотношениями пор. По размерам поры классифицируются по разным признакам (табл. 11.1).

Таблица 11.1. 

Размеры и свойства пор
Диаметр пор		Раскрытость трещин	Свойства флюидов
Мегапоры (полости), от сантиметров до кубометров		Сверхкапиллярные > 0,25 мм	Нефть и вода движутся в соответствии с законами гравитации
Макропоры >0,1 мм
Микро–поры<0,1 мм	Капиллярные– 0,1 мм	Капиллярные 0,25–0,001 мм	Действуют преимущественно капиллярные силы
	Субкапиллярные <0,002мм	Субкапиллярные<0,001 мм	Движение флюида практически невозможно

Пористость может быть в горной породе изначально, тогда она называется первичной, а может появиться в процессе существования горной породы – тогда она называется вторичной, например, при растворении горной породы или ее перекристаллизации. Кроме того, пористость бывает гранулярная (или межзерновая) – в терригенных породах, каверновая встречается в карбонатных породах (каверны - поры, образованные в результате растворения составных частей хемогенных или биогенных пород или разложения соединений, неустойчивых в определенных термобарических обстановках) и трещинная – в любых по генезису породах.

Таблица 11.2.

Общая пористость осадочных горных пород, %
Порода	Пределы колебаний	Наиболее вероятная
Песок	4–55	20–35
Песчаник	0–30	5–25
Алевролиты	1–40	3–25
Ил	2–90	50–0
Глина	0–75	20–50
Известняки	0–35	2–15
Мел	40–55	40–50
Доломиты	2–35	3–20

Гранулярная пористость зависит от окатанности, сортированности, формы и способа укладки зерен, а также от типа и состава цемента. Коэффициент пористости может достигать 40%, но обычно он превышает 20. Трещинная  пористость не превышает 3–5 %. Кавернозная пористость характерна для растворимых пород карбонатов, сульфатов и хлоридов. Размеры каверн от долей миллиметров до десятков метров.

Очень большую, но неравномерную пористость имеют органогенные известняки, которые мы встречали в маршруте №2 в точке наблюдения №4 на Бельском карьере и в маршруте №4 в точке наблюдения №11 на левом берегу реки Мста (Рис. 11.4). Характерные значения пористости для различных горных пород приведены в таблице (табл. 11.2).

Проницаемость

Проницаемость – способность пород пропускать флюиды. Пути миграции флюидов - поры, каверны, соединяющиеся каналами, трещины. Чем крупнее пустоты, тем выше проницаемость. Для оценки проницаемости обычно используется линейный закон фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости жидкости. Закон Дарси применим при условии фильтрации однородной жидкости, при отсутствии адсорбции и других взаимодействий между флюидом и горной породой. Величина проницаемости выражается через коэффициент проницаемости (К_пр):

К_пр=Q*m*L/D*p*F,

где Q - объем расхода жидкости в единицу времени; D*р - перепад давления; L - длина пористой среды; F - площадь поперечного сечения элемента пласта; m - вязкость жидкости.

Практической единицей измерения проницаемости является дарси. 1 дарси - проницаемость пористой системы, через которую фильтруется жидкость с вязкостью 1 сантипуаз (сП), полностью насыщающая пустоты среды, со скоростью 1 см³/с при градиенте давления 1 атм (760 мм) и площади пористой среды 1 см². 1 дарси = 0,981*10^-12 м². Промышленную ценность нефтяного месторождения можно определить по проницаемости его пород - способности проникновения жидкости или газов через породу. Движение жидкостей или газов через пористую среду называется фильтрацией.

Различают несколько видов проницаемости.

1)Абсолютная проницаемость- это проницаемость горной породы применительно к однородному флюиду, не вступающему с ней во взаимодействие, при условии полного заполнения флюидом пор среды. Абсолютная проницаемость измеряется в сухой породе при пропускании через последнюю сухого инертного газа (азота, гелия).

В природе не встречаются породы, не заполненные флюидами (различными газами, жидкими углеводородами, водой и т.д.). Обычно поровое пространство содержит в различных количествах воду, газ и нефть (в залежах). Каждый из флюидов оказывает воздействие на фильтрацию других. Поэтому редко можно говорить об абсолютной проницаемости в природных условиях.

2)Эффективная (фазовая) проницаемость- проницаемость горной породы для данного жидкого (или газообразного) флюида при наличии в поровом пространстве газов (или жидкостей). Этот вид проницаемости зависит не только от морфологии пустотного пространства и его размеров, но и от количественных соотношений между флюидами.

3)Относительная проницаемость - отношение эффективной проницаемости к абсолютной. Относительная проницаемость породы для любого флюида возрастает с увеличением ее насыщенности этим флюидом.

Все породы в той или иной мере проницаемы. Все породы по своим свойствам являются анизотропными, следовательно, и проницаемость в пласте по разным направлениям будет различной. В обломочных породах К_пр по наслоению выше, чем в направлении, перпендикулярном наслоению. В трещиноватых породах по направлению трещин проницаемость может быть очень высокой, а вкрест простиранию трещин может практически отсутствовать.

Максимальны значения проницаемости для трещинных пород. Наиболее распространенное значение К_пр для промышленно продуктивных пластов от 1·10^-15 до 1·10^-12 м². Проницаемость более 1·10^-12 м² является очень высокой, характерна для песков, песчаников до глубин 1,5-2 км и трещинных карбонатных пород.

Проницаемость зависит от размера и конфигурации пор, что обусловлено размером зерен терригенных пород, плотностью укладки и взаимным расположением частиц, составом и типом цемента. Очень большое значение для проницаемости имеют трещины. Трещины в породах бывают открытые и закрытые (за счет вторичного смыкания и минерализации). Вследствие тектонических процессов образуются системы трещин, ориентированных в определенной плоскости. Если вдоль трещин не происходит смещение пород или оно незначительно, то система трещин называется трещиноватостью.

Трещиноватость

Трещины в коллекторах – это не только полости для накопления флюида, но и пути его миграции. К трещиноватым коллекторам за рубежом приурочено более 50% запасов нефти, а в России 12% залежей. Именно трещиноватыми коллекторами обусловлена нефтегазоносность знаменитой баженовской свиты в Западной Сибири (бажениты), а также доманиковых слоев в Европе и Северной Америке.

Одной из характеристик трещиноватости является густота трещин, тесно связанная с литологией пород. Обычно наибольшей растресканностью обладают кремнистые разности, затем глинистые и известковистые. В песчаных разностях в общем случае отмечены минимумы трещиноватости. Интенсивность трещиноватости не зависит от мощности слоя, что доказано на большом фактическом материале. В маршруте №7 в точке наблюдения №22 в Зеленогорском карьере мы познакомились с чередованием карбонатных пластов различных по мощности и по составу. Пласты известняков, которые мы видели, были трещиноватые (см. рис. 11.4). В точке наблюдения №23 в том же Зеленогорском карьере в пластах известняков мы увидели морозобойные трещины. Морозобойное растрескивание горных пород связано с образованием трещин в мерзлой породе, которая обязана возникновению напряжений в ней при охлаждении и сжатии.

Рис. 11.4. Слой трещиноватых известняков в Зеленогорском карьере

Рис. 11.5. Отторженец, сложенный трещиноватыми известняками

Также в точке наблюдения №24 мы имели возможность изучать отторженец, одним из признаков которого является повышенная трещиноватость и дислоцированность пород. Поэтому в этой точке наблюдения мы вновь увидели пласты светло-серых трещиноватых известняков (Рис. 11.5).

В жизни, однако, чаще всего встречаются трещиноватые коллекторы смешанного типа, поровое пространство которых включает как системы трещин, так и поровое пространство блоков, а также каверны и карст. Карст – совокупность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками, мраморами, доломитами и каменной солью). В результате этих процессов образуются и карстовые воронки - формы поверхностного рельефа, имеющие наибольшее распространение. Они встречаются в областях с различными климатическими условиями и имеют форму чаш или блюдец, то с крутыми, то с пологими склонами. С карстовыми воронками мы познакомились в маршруте №4 в точке наблюдения №9 в 400 м к югу от селения Мшенцы (см. рис. 11.6). Мы видели две карстовые воронки, соединенные пещерой и образовавшиеся в известняках нижнекаменноугольного возраста.

Рис. 11.6. Одна из двух карстовых воронок в 400 м к югу от селения Мшенцы

Условиями образования карста являются: 1)трещиноватость растворимых горных пород, обеспечивающих их водопроницаемость; 2)наличие агрессивных вод и движение и по трещинам. Отсюда следует вывод, что горные породы, в результате растворения которых образовалась воронка, являются трещиноватыми. Ряд карстовых воронок, не заполненных водой, мы встретили в маршруте №4 в точке наблюдения №10 в 2 км от поселка Ровное, на левом берегу реки Мста. В этой точке мы видели на карбонатном плато многочисленные карстовые воронки разные по размеру. Воронки образовались в С₁, сложены известняками и доломитами, также трещиноватыми. Их происхождение связано с растворяющей деятельностью подземных вод.

Коллекторские и изолирующие свойства зависят не только от особенностей породы, но и от состояния флюидов внутри нее, от давления и температуры, при которых они находятся. Характеристики коллекторов и флюидоупоров меняются с глубиной часто неоднозначно и непредсказуемо. Например, коллекторские свойства карбонатных пород улучшаются за счет выщелачивания и образования каверн, растворения карбонатного цемента. Глинистые породы часто обезвоживаются и растрескиваются. А в терригенных породах обломочные частицы уплотняются, ближе прилегают друг к другу, в результате чего коллекторские свойства породы ухудшаются. С уверенностью можно утверждать только то, что ни идеальных флюидоупоров, ни идеальных коллекторов в природе не существует.