Удельная поверхность пород-коллекторов

УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ  ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ

Удельной поверхностью пород называется суммарная поверхность частиц или норовых каналов, содержащихся в единице объема . Удельная поверхность зависит от размеров, форм и минералогического состава зерен породы. Чем выше степень дисперсности породы, тем больше в ней тонких пор и значительней величина удельной поверхности.

Величиной удельной поверхности  определяются такие важные свойства пород-коллекторов, как проницаемость, содержание остаточной воды, адсорбционная способность, глинистость. Ее важно знать для решения некоторых вопросов подземной гидродинамики, при использовании геофизических методов, три повышении нефтеотдачи путем закачки поверхностно–активных веществ и других химических реагентов.

Работами М. М. Кусакова, Б. В. Дерягина, Ф. А. Требина установлено, что наряду с объемными свойствами жидкостей и газов на законы фильтрации влияют и молекулярные явления на границе раздела газ – жидкость - твердое тело. Действительно, если пористая среда имеет большую удельную поверхность, то число молекул жидкости, испытывающих влияние поверхности, становится сравнимо с общим числам молекул жидкости, что приводит к значительному изменению законов фильтрации жидкостей и влияет на добычу нефти и газа из продуктивных пластов.

Методы определения  удельной поверхности можно подразделить на следующие:

 •теоретический по гранулометрическому составу;

 •визуальный с использованием микроскопии;

 •методы, основанные на явлении адсорбции из жидкостей или паровой фазы;

 •по теплоте смачивания;

 •методы, основанные на фильтрации через пористую среду.

Особенно важно определение  удельной поверхности сцементированных пород-коллекторов, так как они в основном являются аккумуляторами нефти. Однако применение к таким породам расчетных формул, которые с известной точностью используются для сыпучих сред, приводит к значительным ошибкам.

Формулы расчета удельной поверхности, учитывающие пористость и проницаемость, выведены для идеального грунта и их применение к сцементированным породам не дает нужного эффекта. Так, удельная поверхность ряда терригенных и карбонатных пород, оцененная по формуле Кармана, оказывается в 10 -100 раз меньше, чем измеренная методом адсорбции газа. Величины удельной поверхности, полученные такими методами, как измерение скорости растворения, по теплотам смачивания, с помощью оптических методов и методом дифракции рентгеновских лучей, являются в лучшем случае полуколичественными.

При измерении удельной поверхности используется также  метод, основанный на измерении сопротивления течению через пористое тело разреженного воздуха при кнудсеновском режиме, имеющем диффузионный характер. Кнудсеновский режим наступает, когда максимальные просветы пор становятся меньше длины свободного пробега молекул газа и соударения молекул между собой будут редкими (по сравнению с ударами о стенки пор).

Метод определения удельной поверхности по адсорбции из растворов не всегда может быть применен, так как раствор часто изменяет поверхность адсорбента.

Метод адсорбции газов  имеет ряд преимуществ: точность и универсальность; неизменность свойств образца; отсутствие хемсорбции при использовании азота или аргона.

 

§ 1. Определение  удельной поверхности методом низкотемпературной адсорбции азота

Определение удельной поверхности  с помощью низкотемпературной адсорбции азота надежно обосновано теоретически и позволяет измерять полную удельную поверхность, включая поверхность тупиковых пор. Данный метод является эталонным, и наиболее строгие определения величин удельной поверхности горных пород, как в СССР, так и за рубежом, выполнены с помощью низкотемпературной адсорбции азота, аргона и др. Очень малое распространение метода низкотемпературной адсорбции в стандартном его исполнении обусловлено большой сложностью применяемой вакуумной аппаратуры, длительностью (до нескольких суток) определения, необходимостью высококвалифицированных исполнителей.

В связи с этим в последние годы появились работы, где в вариант первоначальной методики БЭТ (Бруиауер, Эммет, Теллер) внесены значительные упрощения, которые позволяют использовать методы низкотемпературной адсорбции в практике лабораторий, занимающихся определением коллекторских свойств пород.

Поскольку в отечественной  литературе не удалось встретить  описания упрощенного метода измерения полной удельной поверхности, аналогичного разработанному в лаборатории физики пласта института ПермНИПИнефть, рассмотрим его более подробно.

Требования, предъявляемые  созданной установке, и ее конструкция определялись поставленной задачей. Так как структура пород-коллекторов по терминологии, применяемой при адсорбции газов и паров, в основном представлена макропорами, то необходимость глубокого вакуумирования образцов перед опытами отпадает. В пользу этого говорят данные работы Д. С. Соминского и Г. С. Хазанова. Авторы указывают, что для образцов с небольшой величиной удельной поверхности разница в величине ее, измеренной в одном случае при прогреве и вакууме б*10~2 мм рт. ст., а в другом—при прогреве, но с откачкой до 10~3 мм рт. ст., не более чем 5% . В методе Хаул я и Дюмбгена, на основе которого в ФРГ выпускают прибор для измерения удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции азота, вообще отсутствует вакуумирование, которое заменено продувкой пробы нагретым потоком адсорбируемого газа. Ошибка в этом случае, по данным авторов, около 10% . Вакуумирование в наших опытах проводилось до величины 3*10~2 мм рт. ст. с одновременным прогревом образца при 140° С. Многочисленные термографические исследования (В. Н. Колганов, М. Е. Егоров и др.) показали, что выделение адсорбционной воды глинистых пород происходит при температуре 120 - 155° С, тогда как удаление структурной влаги имеет место при более высоких температурах 240 - 260° С. Поэтому при температуре 140° не должно происходить нарушений структуры глинистого цемента.

 

 

Рис. 7. Схема  установки для измерения удельной поверхности по методу низкотемпературной адсорбции азота.

1 - 4 вакуумные краны; 5 - ампула с образцом; 6 - ртутный манометр; 7 - дьюар с жидким азотом; 8 - манометрическая лампа ЛТ-2; V1 - калиброванный объем, V2 - объем для газообразного азота.

 

 

В принципе измерения не отличались от метода определения удельной поверхности «в точке А». Разница состояла в конструктивном изменении схемы и использовании более низкого вакуума в связи с изменением объекта исследования.

Схема установки показана на рис. 7, где 1 - 4 вакуумные краны, V1 - калиброванный объем, V2 - объем для адсорбата (N2), 5 - ампула с образцом, 6 - ртутный манометр. Расчетная

формула для величины удельной поверхности имеет вид:

Sуд. = [273*6,02*10^23*16,1*10^-20*Vi*(Рo)m*V1]/760*22,4*10^3*T1*m   [м^2/c],

где m - масса образца,

Т1 - температура газа в V1 (°K),

(Ро)m - давление в V1, при котором полностью заполнен монослой на поверхности образца.

Учитывая, что в нашем  случае V1 = 120,9 см3 и Т = 293 °K, формулу запишем таким образом:

Sуд. = 0,647*((Po)m)/m

Методика измерения  состоит в следующем. Исследуемый  образец прогревается до 140° С с одновременной откачкой форвакуумным насосам до 3*10^2 мм рт. ст. Затем ампула с образцом помещается в сосуд Дьюара с жидким азотом, а в объем V1 из объема V2 набирается газообразный азот, обычно до давления в V1 ~ 140 - 150 мм рт. ст. Сосуд V2 перед заполнением газообразным азотом вакуумируется через краны 1, 4. Поворотом ампулы на шлифе 2 образец, находящийся при температуре - 196,8° С, приводится в соприкосновение с азотом, вследствие чего на исследуемом образце происходит его адсорбция. Опыт работы на установке показывает, что для снятия первого равновесного давления необходимо время 30 - 40 мин. Дальнейшие измерения происходят достаточно быстро, занимая 10 - 15 мин, и заключаются в последовательном добавлении азота из V2 в V1 (при отсоединенном образце) и последующем перепуске азота из V1 в ампулу с образцом. Происходит снятие адсорбционной кривой. Если на оси абсцисс откладывать значения давления в V1, а на оси ординат — соответствующие равновесные давления, то получается прямая, отсекающая на оси абсцисс отрезок (Ро)m, численно равный давлению азота в V1, необходимому для полного покрытия мономолекулярным слоем всей поверхности исследуемого образца.

В случае, когда адсорбция  азота отсутствует, прямая в координатах Pv1 – Рравн - должна проходить через начало координат. На рис. 8 приведены зависимости, иллюстрирующие опыт для пустой ампулы при 20° С 1 для пустой ампулы при —196° С 2 и с ампулой, куда помещено 30 см3 оргстекла, при —196° С. Действительно, во всех этих случаях прямые проходят через начало координат, так как адсорбция азота отсутствует. Наклон прямых зависит от соотношения объемов V1 и ампулы, а также от температуры, при которой находится ампула.

Для контроля метода было проведено несколько опытов с образцом высокодисперсного кремнезема — аэросила, удельная поверхность которого, определенная стандартным методом БЭТ, равнялась 170 м2/г. По данным пяти опытов, проведенных в равное время, удельная поверхность эталонного образца составила (171 ± 8) м2/г, что свидетельствует о достаточно хорошей воспроизводимости результатов и точности, вполне приемлемой при исследовании геологических объектов. При этом следует подчеркнуть, что навеска аэросила имела величину порядка 0,1 г, то есть ее поверхность была близка к поверхности исследуемых образцов пород-коллекторов, навески которых – 15-25 г при удельной поверхности, равной 0,5-3 м2/г.

Данная конструкция  прибора позволяет в течение 8 час. измерить и рассчитать удельную поверхность двух-трех образцов. Однако, если установить несколько ампул с образцами, чтобы прогрев и вакуумирование не происходили для них одновременно, то производительность установки можно повысить до 10-12 образцов за 8 час., так как основное время идет на подготовку образцов к опыту.

Независимость измерения  от объема образца в ампуле позволяет использовать значительные объемы исследуемых пород, что, в свою очередь, делает возможным измерение малых удельных поверхностей.

§ 2. Метод фильтрации разреженного газа

Для определения удельной поверхности в динамических условиях часто используют метод фильтрации разреженного газа при кнудсеновском режиме, когда вероятность соударения молекул между собой мала по сравнению с вероятностью удара их о стенки капилляра. Движение отдельных молекул при этом рассматривается как взаимонезависимое, что сближает эти явления с диффузией.

К достоинствам этого  метода следует отнести то, что удельная поверхность фильтрации (Sф) должна коррелировать с таким важным параметром пород-коллекторов, как их газопроницаемость. Вместе с тем способ позволяет использовать после небольших изменений серийно выпускаемый прибор Дерягина Д-111 и является несложным в осуществлении.

 

 

Рис. 9. Установка  для измерения удельной поверхности пород методом фильтрации разреженного газа: 1 — реометр; 2 — вентиль, регулятор; 3, 6, 8 — вакуумные краны; 4 — дифференциальный масляный манометр; 5 — ловушка; 7—манометрическая лампа ЛТ-2; 9 — герметизирующаяманжета; 10 — кернодержатель; 11 - образец; 12 — пресс.

 

 

Прибор Д-111 стандартном исполнении пригоден для измерения удельной поверхности только порошкообразных веществ. В лаборатории физики пласта института ПермНИПИнефть камеру для порошкообразных веществ заменили кернодержателем с гидрообжимом, что позволило измерять для сцементированных пород-коллекторов (рис. 9). Для измерения разрежения воздуха под образцом в схему прибора дополнительно введена термопарная манометрическая лампа ЛТ-2, позволяющая с применением вакуумметра ВТ-2 измерять степень откачки до 10^-3 мм рт. ст. Использование безртутного способа оценки вакуума является более выгодным вариантом, чем включение в схему прибора манометра Мак-Леода.

Важным моментом проведения опыта является установление кyудсеновского режима фильтрации воздуха. Для удельной поверхности пород-коллекторов, которая изменяется от 1000 до 30000 см2/см3, кнудсеновский |режим наступает при вакууме после образца 0,1— 1 мм. рт. ст.:

h_кн « 10^-4

где h_кн - давление см. рт. ст. после образца, при котором имеет место кнудсеновский режим;

S_ф - удельная поверхность фильтрации, см²/см³; К_п - пористость, доли единицы.

 

Расход воздуха изменялся в опытах от 0,01 до 0,05 см³/сек при перепаде на реометре 0,5—7,0 см. Отсчеты расхода воздуха и перепада давления на образце производятся при достижении стабилизации вакуума после образца, а также при постоянстве показаний реометра и дифференциального манометра.

Величину S_ф рассчитывают по формуле:

S_ф = А

∙ , см²/см³

где А = - постоянная прибора в предположении, что величины Т и Р меняются незначительно;

d — плотность жидкости  в дифференциальном манометре;

Т — абсолютная температура  °К;

bo — постоянная реометра, сек/см2;

Р — атмосферное давление, cм рт. ст.;

D — диаметр образца,  см;

Кп — пористость доли единицы;

Δhм —• перепад давления на о-бра^це, см;

Δhр — показания реометра;

L — длина образца,  ом.

Следует отметить, что  чем меньше сопротивление, оказываемое потоку разреженного газа, тем точнее опыт, поэтому лучше всего проходит опыт с образцами, газопроницаемость которых составляет десятки и сотни мдарcи.

 

 

Глава 2

УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ И КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД

§ 1. Полная удельная «поверхность терригенных и карбонатных  пород

Как указывалось раньше, полная удельная поверхность является важной характеристикой дисперсности пород-коллекторов. Особое значение этот параметр приобретает для терригенных коллекторов, глинистость которых, с одной стороны, существенно снижает их пористость и проницаемость, а с другой — измеряется в настоящее время недостаточно точно. В то же время известно, что глинистость обусловлена наличием мелкодисперсной фракции, удельная поверхность которой может быть значительна. В связи с этим возникает задача выяснить наличие корреляционных связей между полной удельной поверхностью терригенных пород и их коллекторскими свойствами: пористостью, газопроницаемостью водонасыщенностью и глинистостью. Всего по методике, описанной ранее, было изучено более 40 образцов пород, принадлежащих различным месторождениям Пермской области (Альняшское, Куединское, Юмышское, Троельжанское, Ножовское, Кулигинское). По результатам измерений, которые иллюстрируют рис. 26—27, составлена таблица корреляционных коэффициентов. Из этой таблицы следует, что наиболее тесная связь между полной удельной поверхностью и коэффициентами остаточной водонасыщенности и глинистости. При этом коэффициенты остаточной водонасыщенности и глинистости также тесно связаны между собой: коэффициент корреляции их связи равен 0,89.

 

 

Рис. 26. Зависимость  полной удельной поверхности терригенных  пород от остаточной водонасыщенности.

 

 

Тесная связь трех параметров терригенных пород: полной удельной поверхности, глинистости и остаточной водонасыщенности вполне объяснима, если учесть, что величина Sп.уд. определяется в первую очередь содержанием в породе высокодисперсных компонентов, т. е. коэффициентом Кгл. Рост коэффициента Кгл, в свою очередь, приводит к уменьшению проницаемости, уменьшению диаметра поровых каналов и вследствие этого - к росту остаточной водонасыщенности (табл. 13).

 

Рис. 27. Зависимость пол- вой удельной поверхности терригенных пород от глинистости.

 

 

 

 

Таблица 13

Корреляционные коэффициенты

Коэффициенты	Кп	Кпрг	Sп.уд.	Кгл	Ков
Кп	1	0,738	-0,654	-0,643	-0,642
Кпрг	0,738	1	-0,500	-0,452	-0,514
Sп.уд.	-0,654	-0,500	1	0,873	0,935
Кгл	-0,643	-0,542	0,873	1	0,890
Ков	-0,642	-0,514	0,935	0,890	1

 

Аналитические выражения  зависимостей Sп.уд. = f(Ков) и Sп.уд. = f(Кгл) имеют следующий вид:

Sп.уд. = 2,615*Ков+0,166   (60)

с коэффициентом корреляции 0,935, где Sп.уд. измеряется в м2/г, Ков в долях 1, диапазон изменения Ков от 0,05 до 1 и

Sп.уд. = 0,118*Кгл – 0,033    (61)

с коэффициентом корреляции 0,873, Sп.уд. - м²/г, Кгл - %, диапазон изменения Кгл от 1 до 25%.

Между полной удельной поверхностью и коэффициентами пористости и проницаемости существует отрицательная связь, характер которой весьма слабый — коэффициенты корреляции порядка 0,5—0,6.

В связи с тем, что измерения (проводились на образцах терригенных пород различных месторождений Пермской области, можно предполагать, что полученные уравнения (60—61) имеют достаточно общий вид. Учитывая, что измерение полной удельной поверхности является более сложным, чем определение глинистости или остаточной водонасыщенности, эти уравнения можно использовать для оценки Sп.уд. по Ков и Кгл. Более выгодным в этом отношении является уравнение (60), коэффициент корреляции которого выше, а параметр Ков поддается более точному и воспроизводимому определению.

Измерение полной удельной поверхности карбонатных пород проводилось по описанной нами методике. Относительная ошибка определения была оценена по двум параллельным измерениям для семи образцов и в среднем оказалась не больше 7% (табл. 14). Всего было изучено 25 образцов башкирских и намюрских отложений Осинского месторождения, из которых 23 принадлежали известнякам и два - доломитам.

Таблица 14

Воспроизводимость определения полной удельной поверхности карбонатных пород

Коэффициент пористости, %	Коэффициент проницаемости, мдарси	Удельная поверхность, м2/г	Средняя удельная поверхность, м2/г	Относительная ошибка определения, %
10,6	1.3	0,40 0,50	0,45	11,11
3,4	0,2	0,40 0,43	0,415	3,6
22,0	2530,0	0,84 0,96	0,90	6,7
14,5	196,0	0,31 0,31	0,31	0,0
17,2	51,1	1,16 0,87	1,015	14,2
13,7	40,9	0,87 0,73	0,80	8,7
10,2	22,8	0,72 0,67	0,695	3,6

Попытка связать полную удельную поверхность карбонатных пород с коэффициентом их остаточной водонасыщенности к успеху не привела. В отличие от терригенных пород - коллекторов, остаточная водонасыщенность карбонатных пород не определяется величиной полной удельной поверхности. Величина полной удельной поверхности карбонатных пород практически не коррелирует с коэффициентами пористости и проницаемости и весьма слабо с величиной sqrt(Кпрг/Кп1), пропорциональной радиусу поровых каналов. Все это позволяет сделать заключение, что величина полной удельной поверхности карбонатных пород слабо связана с коллекторскими свойствами и ее измерение целесообразно лишь в случаях, когда изучается адсорбция на карбонатных породах (табл. 14).

§ 2. Удельная поверхность  фильтрации терригенных и карбонатных  пород

В разделе II приведены результаты изучения удельной поверхности фильтрации терригенных и карбонатных пород и корреляционные связи этого параметра с коллекторскими свойствами (Кпи Кпрг).

 

Методика измерения  удельной поверхности «фильтрации (Sф) не отличалась от описанной ранее.

На рис. 28 приведена  зависимость Sф = f(Кпрг) для карбонатных пород, имеющая линейный характер:

lg Sф = -0,425*lg Кпрг+4,50

и коэффициент корреляции R = -0,879±0,055. Для терригенных пород аналогичная зависимость имеет вид:

lg Sф =- 0,510*lg Кпрг + 4,61

с коэффициентом корреляции R= -0,940±0,031.

В отношении карбонатных  пород следует отметить, что, хотя в коллекции образцов были породы различных структурно-генетических типов, выделить отдельные зависимости вида Sф = f(Кпрг) для каждого типа пород оказалось невозможным.

Различие полученных зависимостей для терригенных и карбонатных пород сравнительно невелико и по порядку величины близко к ошибке измерения.

Таким образом, можно  заключить, что удельная поверхность  фильтрации как для терригенных, так и для карбонатных пород одинаково зависит от коэффициента газопроницаемости, увеличиваясь с уменьшением последнего по гиперболическому закону.

На рис. 29 и 30 приведены  зависимости Sф = f[sqrt(Кпрг/Кп)] для терригенных и карбонатных пород. Аргументом функции Sф взят sqrt(Кпрг/Кп)который, как известно, пропорционален среднему радиусу пористой среды. В обоих случаях корреляционные отношения достаточно высоки; для терригенных пород имеем R = (0,921 ± 0,034) и уравнение связи

Sф = 8230/sqrt(Кпрг/Кп)

 

 

 

Рис 28 Зависимость удельной поверхности фильтрации карбонатных пород от газопроницаемости.

 

Рис. 29. Зависимость  удельной поверхности фильтрации терригенных  пород от параметра sqrt(Кпрг/Кп)

 

 

для карбонатных соответственно: R = (0,932 ± 0,033) и Sф = 11840/sqrt(Кпрг/Кп)

Полученные уравнения  показывают, что при одном значении sqrt(Кпрг/Кп) для среднего радиуса поровых каналов, удельная поверхность фильтрации несколько больше в случае карбонатных пород. Последнее можно объяснить более сложной конфигурацией порового пространства карбонатных пород по сравнению с терригенными.

 

Рис.30

 

Вместе с тем следует  отметить, что введение комплексного аргумента sqrt(Кпрг/Кп), учитывающего как проницаемость, так и пористость среды, значительно улучшает, особенно для карбонатных пород, коррелируемость Sф сравнению с тем случаем, когда Sф коррелируется только с проницаемостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.3. У дельная поверхность фильтрации

Для идеального грунта поровое пространство представлено пучком параллельных капилляров. Исходя из уравнения Пуазейля, характеризующего связь между расходом фильтрующейся жидкости и радиусом капилляра, можно получить уравнение Козени-Кармана, связывающее величины удельной поверхности S_ф, коэффициентов пористости К_п  и проницаемости К_пр идеального грунта:

К_пр = К³_п/(2S²_ф)   (2.22),

откуда 

S_ф =

×     (2.23)

Для поровых  каналов с извилистостью Т  и формой сечения, от­ личной от круговой, вьrражение для S_ф приобретает вид:

S_ф =

×         (2.24)

где f> 2; Т> 1.

Уравнение (2.24) применимо к пористым средам, скелет которых представлен несцементированными зернами и не содержит высокодисперсного материала, например, к образцам чистого кварцевого песка, а также к искусственным моделям пористой среды из стеклянных шаров и т.п. Для подобных сред величина S_ф близка к значению S_п.

Для пористой среды, содержащей высокодисперсный материал, например глину, в порах каркаса, образованного  скелетными зернами, для расчета  S_ф в формулу (2.24) подставляют вместо К_п.д коэффициент эффективной пористости К_п.эф = К_п(1-К_во),  а в качестве Т используют значение извилистости каналов фильтрации T_г:

S_ф =

  (2.25)

Рис.8 Соотношение между  удельной поверхностью фильтрующих  каналов S_ф и полной удельной поверхностью S_п

Рассмотрим, как будет  меняться значение S_ф на примере серии образцов песчаника с различной глинистостью от чистого, неглинистого до глинистого песчаника - неколлектора. В чистом песчанике S_ф ≈ S_п и составляет 500 -1000 см^-1 в зависимости от преобладающего размера зерен скелета. С ростом К_rл уменьшаются значения К_п.эф и К_пр но так, что в значительном диапазоне изменения 0< К_rл < К_{rл 1} величина S_ф растет с ростом К_rл, и достигает значений n×10⁴  см^-1 (n=1÷3) . При дальнейшем росте К_rл в области К_{rл 1} < К_rл < К_{rл гр} величина S_ф быстро уменьшается, достигая нуля в неколлекторе, в котором отсутствует система эффективных фильтрующих пор, К_п.эф = 0, К_пр= 0 (рис. 8). Значение S_п  в диапазоне 0< К_rл < К_{rл 1} с ростом К_rл увеличивается быстрее, чем S_ф. В дальнейшем в области К_{rл 1} < К_rл < К_{rл гр}  величина S_п продолжает расти и различие между S_п и S_ф резко возрастает, достигая двух-трех порядков [см^-1]. Соотношение S_п > S_ф во всем

диапазоне 0< К_rл < К_{rл гр} соответствующем породам-коллекторам, объясняется тем, что значение S_п, как уже отмечалось выше при сравнении S_п  и S_гран определяется суммарной поверхностью всех частиц пород, основной вклад в которую вносит поверхность глинистых частиц, причем вклад этот растет с ростом К_rл. Величина S_ф определяется только суммарной поверхностью макрокапилляров, по которым происходит фильтрация, тогда как огромная поверхность субкапилляров, расположенных между частицами глины, не входит в S_ф, поскольку в субкапиллярах фильтрация не происходит.