Пористость и влагоемкость различных типов пород

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РК

Карагандинский  государственный технический университет 
 
 
 
 

Кафедра геологии и геофизики 
 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

          По дисциплине: Петрофизика

          Тема: Пористость и влагоемкость различных типов пород 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст-нт гр.ГПР-09зВВ Язев И.Р.

                                                  Проверила: Тунгышбаева А.Т. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Караганда-2010

Пористость

Виды  пористости

     Горные  породы, руды, каменные угли и минералы, слагающие земную кору, не являются сплошными телами. Все они обладают емкостным пространством, то есть содержат полости (поры), которые в условиях естественного залегания заполнены пластовой водой, газами, нефтью или смесью этих флюидов.

По происхождению  полости делятся на первичные, которые  сформировались в момент образования горной породы, и вторичные, возникшие уже после образования породы, в процессе ее литогенеза.

Первичными  являются различного вида поры между  обломками (зернами), осадочной породы, достаточно равномерно рассеянные в  массиве терригенных и карбонатных  пород. Такие поры называются межгранулярными или межзерновыми. К вторичным полостям относятся трещины, каверны или каналы выщелачивания минералов.

     Классические  примеры пород с первичными порами — это осадочные терригенные породы: пески, песчаники, глины (рис. 1, а, б, в). Примеры пород с вторичными полостями — трещинные и трещинно-кавернозные известняки и доломиты (рис. 1, г, д, е).

Рис. 1. Примеры  первичной (а, б, в) и вторичной (г, а, е) пористости в обломочных, глинистых и карбонатных породах:

а —  хорошо отсортированный высокопористый песчаник; б — плохо отсортированный песчаник с пониженной пористостью; в — глины; г — трещиноватая карбонатная; е — трещинно-кавернозная карбонатная порода.

Следует отметить, что в некоторых случаях  при глубоком катагенезе в терригенных породах могут образовываться вторичные полости (каверны и трещины), а в известняках, доломитах и мергелях — сохраняться первичные поры.

Количественно объем всех видов пор (емкостей) в  горных породах принято оценивать  коэффициентом пористости: 

K_п=V_n/V

где V_n—объем полостей, заключенных в породе; V—объем породы.

Пористость  — фундаментальное свойство породы, от которого зависит большинство ее физических свойств. Однако при этом вид (конфигурация) полостей также имеет важное значение при изучении физических свойств. В общем случае коэффициент общей пористости 

k_п=(V_п.мз+V_т+V_кав)/V=k_п.мз+k_т+k_кав 

где V_п.мз, V_т, V_кав — объемы пор (межзерновых), трещин и каверн соответственно; К_п.мз, К_т, К_кав — коэффициенты межзерновой пористости, трещиноватости и кавернозности соответственно.

     По  форме первичные полости —  поры могут быть ромбоэдральными  у хорошо отсортированных рыхлых и окатанных песчаников, тетраэдрическими у тех же сильно уплотненных пород, щелевидными у глин, слюд и других минералов с кристаллической  решеткой пластинчатой структуры, в виде канальцев расширяющейся или сужающейся формы у плохо отсортированных обломочных образований, пузырчатыми в ненарушенных магматических породах; вторичные полости — трещиновидными у скальных метаморфических и магматических пород, каверновидными у карбонатных разностей и гипсов, каналовидными у лессов, ячеистыми у известковистых и кремнистых туфов, соответствующими форме выщелоченным кристаллам минералов в плотных магматических, метаморфических и осадочных породах. По размерам поры и каверны можно характеризовать эффективным диаметром², а трещины — средней шириной (раскрытием).

В основу классификации  пор по размерам положено взаимодействие твердой поверхности с насыщающей поры пластовой водой.

В наиболее крупных, сверхкапиллярных, порах, имеющих диаметр d_эф>10^-4м, доля воды, связанной капиллярными силами и силами адсорбции с твердой фазой, сравнительно невелика. Поэтому пластовая вода в этих порах может двигаться в основном под действием силы тяжести в соответствии с законами трубной гидромеханики.

В капиллярных  порах d_эф=10^-7÷10^-4 м радиус менисков, образовавшихся на границе двух фаз в результате поверхностного натяжения, таков, что они препятствуют движению воды под действием силы тяжести, т.е. вода в этих порах удерживается капиллярными силами.

     В субкапиллярных порах d_эф=2*10^-9÷1*10^-7 м велика доля воды, на которую действуют адсорбционные силы со стороны твердой поверхности. Поры в этом случае заполнены рыхло- и прочносвязанной водой, которая практически не способна к перемещению в поле силы тяжести или под влиянием сил поверхностного натяжения.

В микропорах d_эф<2*10^-9м, диаметр которых соизмерим с толщиной слоя прочносвязанной воды, пластовая вода при температурах менее 70°С практически неподвижна.

Сверхкапиллярные поры характерны для слабосцементированных галечников, гравия, крупно- и среднезернистых песков, обломочных разностей карбонатных пород; в зонах выщелачивания карбонатных пород они могут достигать весьма больших размеров (каверны, карсты).

     Капиллярные поры типичны для сцементированных песчаников, обломочных и кристаллических известняков, доломитов. Сверхкапиллярные и капиллярные поры составляют основную емкость гранулярных коллекторов.

     Субкапиллярные  поры свойственны глинам, мелкокристаллическим и мелоподобным известнякам, доломитам, трепелам, пепловым туфам и другим тонкозернистым породам. В отсутствие трещиноватости все эти породы не являются коллекторами. Микропоры установлены у некоторых природных цеолитов.

     Трещиноватость  наиболее характерна для плотных, низкопористых горных пород. Происхождение трещин чаще всего тектоническое, хотя в природе можно встретить трещины диагенеза (доломитизация карбонатов), трещины уплотнения и трещины автогидроразрыва в зонах образования аномально высоких пластовых давлений.

Наиболее  хорошо изучена субгоризонтальная  трещиноватость пород, ориентированная  преимущественно по напластованию. Раскрытие (ширина) этих трещин b редко превышает 10^-4м в связи с превышением вертикальных напряжений в консолидированных горных массивах над горизонтальными. Это обстоятельство способствует смыканию горизонтальных трещин. Однако в последнее время высказываются мнения о значительном влиянии субвертикальной трещиноватости в земной коре на течение многих геологических процессов. По некоторым данным раскрытие вертикальных и субвертикальных трещин может быть весьма значительным. Этот вид трещиноватости в горных породах труднее поддается изучению существующими геофизическими методами исследования скважин.

По характеру  взаимной связи между порами и движению флюидов в породе различают общую, открытую, эффективную и динамическую пористости.

Коэффициентом общей пористости k_п называется объем всех полостей, как сообщающихся между собой (или открытых), так и не сообщающихся (закрытых). Количественно общую пористость рассчитывают по соотношению плотностей сухой породы и минеральных зерен: 

k_п=(V-V_тв)/V=1-σ_п.с/σ_т.в 

где V — объем сухой породы; V_тв — объем твердой фазы в породе; σ_п.с,σ_т.в —плотности сухой ненарушенной породы и твердой фазы (минералогическая плотность породы) соответственно.

Уравнение используется при лабораторном способе  определения коэффициента общей пористости образцов (способ Мельчера). С этой целью взвешиванием находят плотность сухого парафинированного образца σ_п.с с и плотность минералов (твердой фазы) σ_т.в того же раздробленного образца путем взвешивания в пикнометре. Способ Мельчера чаще всего применяется для изучения пористости образцов пород с межзерновым типом пор. Трещины н каверны обычно недостаточно полно представлены в керне.

Коэффициентом открытой пористости кпо оценивается  объем пор, сообщающихся между собой  в породе и с окружающей средой. Открытую пористость определяют путем взвешивания сухих и насыщенных керосином образцов пород с последующим нахождением объема парафинированных образцов путем их взвешивания в керосине (метод Преображенского):

K_п.о=V_п.о/V

где V_п.о — объем пор, заполненных керосином.

Для низкоглинистых высокопористых и рыхлых пород общая  и открытая пористости отличаются незначительно. Для пород с большим содержанием субкапиллярных пор (например, глины) различие может быть весьма существенным.

Коэффициент эффективной пористости k_п.эф (понятие введено Л. С. Лейбензоном) характеризует полезную емкость породы для углеводородов (нефти или газа) и представляет собой объем открытых пор за исключением объема, заполненного физически связанной и капиллярно-удержанной пластовой водой: 

K_п.фэ=(V_п.о-V_в.св)/V=k_п.о(1-k_в.св) 

где k_в.св — коэффициент водонасыщения, определяющий содержание связанной воды в единице объема пор; V_в.св — объем связанной воды.

Однако  не весь объем нефти или газа, заполняющих полезную емкость горных пород, можно привести в движение при разработке месторождений. Определенная часть их, находящаяся в мелких и тупиковых порах, при реализуемых градиентах давления вытесняющей жидкости остается в порах без движения.

Коэффициент динамической пористости k_п.д показывает, в какой части объема породы при заданном градиенте давления может наблюдаться движение жидкости или газа. Этот объем определяют на содержащем остаточную воду и насыщенном керосином образце как разницу между объемом эффективных пор (V_п.о – V_в.св) и объемом пор V_н.о, в которых остался керосин после его вытеснения из породы другим флюидом (обычно воздухом или азотом): 

k_п.д=(V_п.о-V_в.св-V_н.о)/V=(V_п.эф-V_н.о)/V=k_п.о(1-k_в.о-k_н.о) 

Некоторая неопределенность определяемых в лаборатории  значений k_п.д и k_п.эфф заключается в том, что эти величины зависит не только от свойств породы, но и от приложенного градиента давления и времени вытеснения керосина другим флюидом. Так, при длительном приложении высоких градиентов давления вытеснения k_пд —> k_пэф. Однако при низких градиентах давления вытеснения, как правило, k_пд < k_пэф.

Ценность  информации о движении флюидов, которую содержат коэффициенты эффективной и динамической пористости, определяет их важное практическое значение, как это показал опыт оптимизации разработки Ромашкинского месторождения на поздней стадии эксплуатации. Поэтому в геофизике активно развиваются радиоиндикаторные методы прямого определения к_п.д коллекторов в условиях естественного залегания. 

Структура емкостного пространства

     Емкостное пространство горной породы, образованное сообщающимися между собой порами, трещинами и кавернами, является весьма сложным по своему строению и состоит из сочетания емкостей разных форм и размеров. Одни поры хорошо проводят флюиды, другие — заполнены адсорбированной и капиллярно-удержанной водой. 

     Структура емкостного пространства изучаемой  породы характеризуется распределением пор по размерам. Существуют прямые и косвенные методы изучения структуры емкостного пространства. К прямым методам относятся оптические, например, исследование микрофотографий шлифов (А. Ф. Богомолова, Н. А. Орлова, 1961 г.) и с помощью электронной микроскопии, к косвенным — капиллярные методы. 

     Оптические  методы характеризуют распределение  пор на плоскости, и требуются многократные исследования на параллельных плоскостях для представления об изменении пор в объеме. Метод окрашенных шлифов наиболее широко применяется при изучении структуры пор трещиноватых и трещиновато-кавернозных пород на больших шлифах (К. И. Багринцева, 1975 г.).

Капиллярные методы характеризуют структуру  емкостного пространства в объеме, но они, как правило, не могут быть использованы для изучения трещиновато-кавернозных пород.

Известны  три разновидности капиллярных  методов: 1) полупроницаемой мембраны; 2) ртутной порометрии; 3) капиллярной пропитки. Эти методы основаны на применении уравнения Лапласа для капиллярного давления в круглом цилиндрическом капилляре для оценки эффективного диаметра пор d_эф, м: 

d_эф=4σ cosθ/p_к 
 
 
 
 
 

Использование эффективной пористости для оптимизации  разработки месторождения на поздней ее стадии (по Р.Х.Муслимову и др.) 

     В методе полупроницаемой  мембраны из водонасыщенного образца, установленного на водонасыщенной искусственной мембране размером пор 2 • 10^-6 м, азотом вытесняют воду и строят зависимость величины водонасыщенности образца от величины капиллярного давления. По формуле вычисляют эффективные диаметры пор, соответствующие каждому р_к, а по изменению водонасыщенности — относительное содержание этих пор в объеме породы. Строят график распределения пор в образце по их размерам.

Большинство исследователей принимают θ=0 из условий абсолютной смачиваемости водой кварцевого капилляра и а — для границы раздела воды с воздухом при данной температуре. Длительность опыта при исследовании одного образца достигает 30 сут.

     Размер  пор полупроницаемой мембраны ограничивает нижний предел изучения пор. Радиусы пор вычисляют в диапазоне (2/100) * 10^-6м.

Пленку смачивающей  жидкости (воды) на поверхности пор  породы трудно учесть в расчетах, что снижает точность определения распределения пор.

     В методе ртутной порометрии в вакуумированный образец нагнетают ртуть. Чем меньше диаметр пор, тем большее давление нужно приложить для преодоления капиллярных сил. Строят зависимость рк от насыщенности образца ртутью, затем — кривую распределения пор.

Краевой угол θ обычно принимают равным 140⁰ из условий несмачивания ртути кварцевого капилляра, а σ — для границы раздела ртуть—воздух. На опыт с одним образцом расходуется всего несколько часов, а диапазон изучаемых пор при работе с этим методом расширяется до (0,01/100) * 10^-6м.

К недостаткам метода можно отнести слабую изученность зависимости θ от влажности и литологии пород и невозможность использовать образец для повторных или последующих исследований.

На рисунке изображены фотографии поверхности трех типов пород, выполненные с помощью электронного микроскопа, и гистограммы распределения пор в этих породах, полученные на ртутном поромере. Хорошо видна разница в структурах порового пространства.

В современных  приборах все измерения с ртутным  поромером автоматизированы, включая и вычисления гистограмм распределения пор в породе.

В методе капиллярной  пропитки, или люминесцентно-фотометрическом методе (Л. М. Марморштейн, 1975 г.), смачивающая люминесцирующая в ультрафиолетовом свете жидкость под воздействием капиллярных сил впитывается образцом. С помощью автоматической фотометрической установки наблюдают за изменением окраски верхнего торца образца под влиянием впитывающейся жидкости. 

а — песчаник кварцевый крупнозернистый; поры заполнены вторичным каолином.

Пористость  минералов

Твердая фаза горных пород состоит из породообразующих минералов.

Кристаллы или обломки минералов, слагающих  горную породу, имеют, как правило, весьма низкую первичную общую пористость. Эта пористость обусловлена включениями  газов или другими особенностями условий кристаллизации минералов. Открытая первичная пористость у большинства минералов отсутствует. Поэтому изменение объема и состава минерального скелета горных пород может быть связано только с процессом эрозии или эпигенетическими процессами в литогенезе (растворением, осаждением, перекристаллизацией и т.п.). Пористость некоторых минералов в процессе эпигенеза может значительно возрасти, например, при разрушении зерен полевых шпатов, переходящих в глинистые минералы.

Коэффициент общей  пористости к_п некоторых минералов (по Б. П. Беликову, К. С. Александрову и Т. В. Рыжовой),%: 

Таким образом, первичная пористость минералов  несет мало информации о породе и слабо изучена. Существенно большее практическое значение в геологии и геофизике имеет плотность породообразующих минералов, которая отражает их элементный состав. 

Пористость осадочных пород

     Осадочные породы, по М. С. Швецову, можно подразделить на три большие группы: 1) обломочные; 2) хемогенные и биогенные; 3) глинистые.

В природных  условиях часто порода состоит из нескольких составных частей, тогда основанием для отнесения ее к той или иной группе служат количественные соотношения между этими частями. Например, к обломочным относятся породы, содержащие более 50% обломочного материала.

     К обломочным относят грубообломочные, песчаные, алевритовые и эффузивно-осадочные  породы; к группе хемогенных и биогенных  пород — алюминистые, железистые, марганцовистые, кремнистые фосфатные, карбонатные, сульфатные, соляные, каустобиолиты; группа глинистых пород подразделяются на гидрослюдистые, као-линитовые, монтмориллонитовые, хлоритовые. Наибольшую роль при формировании осадочных толщ играют обломочные, карбонатные, глинистые, соляные и сульфатные породы. Породы последних двух типов в естественном залегании пластичны, их пористость весьма мала, составляя доли процента.

Пористость  обломочных, карбонатных и глинистых  пород изменяется в широких пределах. Ее конкретное значение для каждой породы определяется многими факторами. Однако наиболее значимыми из них являются: максимальная глубина погружения, содержание глинистых минералов, интенсивность вторичных процессов, температура и возраст пород. 

Необратимые изменения  пористости с глубиной

     Коэффициенты  общей пористости осадочных пород, как правило, больше коэффициентов открытой пористости тех же пород, причем в чистых высокопористых породах эта разница очень мала, в уплотненных плохо отсортированных или заглинизированных алевритовых породах и в глинистых породах она велика и в изучаемой коллекции достигает 4% в песчано-глинистых и 2% в плотных глинистых известняках. Определение открытой пористости методически проще и при массовых определениях производится чаще. Видно значительное уменьшение открытой пористости с глубиной для всех рассмотренных типов пород. Рассмотрим механизм этого уплотнения.

     При погружении осадочных пород на большие  глубины в процессе формирования осадочных бассейнов медленно растут воздействующие на породу давления и температуры. При этом уменьшается пористость пород, главным образом в результате необратимых деформаций. Эти изменения пористости можно наблюдать по данным изучения кернов пород, извлеченных с различных глубин.

При изменении  эффективного напряжения происходит объемная деформация сцементированного каркаса (скелета) породы, несущего на себе нагрузку вышележащей толщи. Под действием изменившегося пластового давления дополнительно возникает деформация минералов, слагающих каркас породы, а при изменении температуры интенсифицируются вторичные процессы, изменяются механические свойства минералов и происходит их тепловое расширение (или сжатие).

     Для определения среднего нормального  напряжения в каком-то элементарном объеме пласта необходимо знать три главных нормальных напряжения в этом объеме. Величины главных нормальных напряжений зависят в общем случае от веса вышележащих пород, геометрии и упругих свойств деформируемого пласта, а также конкретной тектонической обстановки, влияющей на напряженное состояние породы в условиях естественного залегания. В связи с разнообразием геологических условий аналитическое изучение влияния геометрических факторов и тектонических напряжений на деформацию пластов — сложная задача, поэтому для определения среднего нормального напряжения обычно пользуются более простыми схемами деформаций.

Если  принять, что гравитационные силы, создаваемые  весом вышележащих осадков, являются основными и определяют напряженное состояние бесконечных горизонтальных пластов на различных глубинах залегания, то вследствие осевой симметрии горизонтальные главные нормальные напряжения по оси хиу равны между собой и составляют часть от вертикального главного нормального напряжения:

Р_х=р_у=Кр_z

где К = v(l -v) —  коэффициент бокового распора; v —  коэффициент Пуассона изучаемой  породы. 

В этом случае среднее нормальное напряжение

Однако  в осадочных пористых породах, подвергающихся воздействию напряжений, в течение длительного геологического времени на больших глубинах необратимые деформации подобны пластическим, при которых наблюдается релаксация касательных напряжений и все главные нормальные напряжения оказываются равны между собой. В этих условиях К—>1 и уравнение можно записать в форме уравнения геостатики: 

Пористость  метаморфических  и магматических пород

     Пористость  осадочных пород под влиянием увеличивающегося горного давления и температуры уменьшается, и  они превращаются в метаморфические. Резкой границы между осадочными и метаморфическими породами нет. Однако, кварцевый песок, являющийся первичным осадком, по мере уплотнения превращается в осадочную породу (песчаник), а затем в метаморфическую породу — кварцит. Первичный осадок — глинистый ил, превращается в осадочные породы — глину и аргиллит, а затем в метаморфическую — глинистый сланец. Основным признаком метаморфизации являются: низкая пористость, для глинистых пород — потеря межслоевой и значительной части кристаллизационной воды, сланцеватость. Метаморфические породы обычно входят в состав фундамента.

Большинство метаморфических пород (кварциты, сланцы, мрамор и другие) обладают низкими значениями первичной пористости.

     При выходе этих пород на поверхность  в некоторых из них могут развиваться  процессы с образованием вторичной  пористости (кора выветривания). В этом случае общая пористость увеличивается. Особенно сильно может увеличиваться пористость метаморфических пород, содержащих карбонатные минералы. Выветривание этих пород и последующее воздействие на них фильтрующимися гидротермальными водами создают условия для образования высокопористых разностей метаморфических пород. Известны промышленные скопления нефти в таких породах. Метаморфические породы могут приобретать трещиноватость под влиянием тектонических движений. Оба эти процесса ведут к активизации минерального массопереноса в толще метаморфических пород с образованием новых минералов и мест скоплений полезных ископаемых. Все эти процессы наблюдаются в толще метаморфических и магматических пород, вскрытых Кольской сверхглубокой скважиной.