Для изучения структуры порового пространства капиллярных явлений использовались образцы керна из скважин Восточно-Таркосалинской (Р-18) и Холмистой (Р-666) площадей. Характеристики кернового материала приведены в табл. 1.
Таблица 1. Литолого-физическая характеристика образцов пород
Исследования капиллярных явлений в образцах проводились на американском групповом капилляриметре «CORE LABORATORIES» (СибНИИНП).
Коллекцию образцов, насыщенных водой с минерализацией 20 г/л, помещали в камеру высокого давления на полупроницаемую мембрану. Между керном и мембраной устанавливался капиллярный контакт через тонкую фильтровальную бумагу. Внутри камеры создавали давление, под действием которого азот проникал в поры и вытеснял воду. Давление поддерживали постоянным до прекращения поступления воды из капилляриметра. Процесс вытеснения ограничивался поровым давлением прорыва мембраны – 0.25 МПа. Заданные термобарические условия поддерживались в течение 2–3 месяцев. В результате проведенных экспериментов получены кривые капиллярных давлений (рис. 1). Шифр кривых соответствует образцам в таблице.
Рис. 1. Зависимость величины капиллярного давления от насыщенности порового пространства
По данным капилляриметрических измерений построены функции распределения пор по размерам и количеству пор, участвующих в фильтрации (рис. 2).
Рис. 2. Графики распределения пор по размерам (V/Vп) и долевое участие пор в фильтрации (Vж/Vп)
Анализ проведенных исследований свидетельствует о наличии тесной связи между капиллярным давлением, степенью насыщенности смачивающим флюидом и фильтрационно-ёмкостными свойствами (ФЕС) образцов пород.
Согласно теории капиллярных явлений, флюид удерживается капиллярными силами, которые зависят от свойств и структуры порового пространства. Чтобы вытеснить флюид даже из самых крупных капилляров, необходимо создать давление в вытесняющей фазе, причем с увеличением давления вытесняющая фаза будет проникать в капилляры всё меньшего радиуса. Процесс вытеснения завершится в тонких порах, силы капиллярного давления в которых очень высоки и увлажняющий флюид теряет свою подвижность.
На кривых капиллярного давления, полученных на высокопроницаемых образцах 2 и 3-го класса (по Ханину), выделяется плато, соответствующее типичному размеру крупных капилляров (кривые 4,5,7 на рис. 1). В этой области кривых при незначительном изменении давления градиент насыщенности высокий. С понижением ФЕС образцов пород плато уменьшается, кривые смещаются в сторону более высокой насыщенности (кривые 8, 9, 10, 11 на рис. 1). Для низкопроницаемых пород 5 класса (по Ханину) кривые капиллярного давления идут круто вверх (кривая 1 на рис. 1). Силы взаимодействия флюида с матрицей таких пород очень высоки, а зависимость насыщенности от давления незначительна (10–15% при 0.24 МПа).
Связь между капиллярным давлением и радиусом пор отражает поведение флюидов в поровом пространстве и определяется с учетом свойств флюидов и породы по известной формуле
Формула 1. Связь между капиллярным давлением и радиусом пор
где Рк — капиллярное давление; s — поверхностное натяжение на границе раздела фаз; Q — угол смачиваемости; Rк — радиус капилляра (поры).
Натяжение поверхности раздела для воды и нефти или воды и газа измеряется относительно просто на лабораторных установках. Определение угла смачиваемости проблематично. Значительное влияние на угол смачиваемости оказывают свойства различных минеральных составных частей природных коллекторов.
Систематические исследования Моррд и Мунчана показали, что зависимость капиллярного давления от угла смачивания для небольших его значений (от 0 до 49) практически не изменяется и только начиная с cosQ=73 град. отмечается небольшое уменьшение капиллярного давления. Поэтому при хороших условиях увлажнения, достаточно уверенно можно считать cosQ=1. В наших опытах экстракция образцов предопределяет их смачиваемость раствором NaCl (С=20 г/л). Обусловлено это тем, что систематические специальные исследования пород, залегающих ниже глубины 1500 м, показывают большую вероятность гидрофильности коллекторов.
Коллекция образцов, подобранная для капиллярных исследований, представлена крупно-, средне- и мелкозернистыми песчаниками в широком диапазоне проницаемостей. Наиболее существенным структурным отличием для исследования литологических разностей является процентное содержание пор в области значений r>20 мкм, по сравнению с мелкозернистыми коллекторами с близкими петрофизическими характеристиками.
Влияние структуры порового пространства на фильтрационные свойства пород-коллекторов обусловлено не только размерами пор, но и их взаимным расположением, степенью сообщаемости, удельным количеством тех или иных групп пор. Фильтрационные свойства пород при дальнейших расчетах рассматриваются как свойства самих пород независимо от фильтрующихся флюидов.
Расчет влияния структуры порового пространства на фильтрационные свойства производили по формуле Пурцелла
Формула 2. Расчет влияния структуры порового пространства на фильтрационные свойства
где Кпр — проницаемость; m — пористость; dS — доля пор, заполненных флюидами; Рк — капиллярное давление; Lр – трудноопределимый литологический фактор пористой среды, характеризующий отличие реальной породы от идеальной.
Для расчета проницаемости по формуле (2) значения Рк и dS определяли по данным капилляриметрических измерений. Произведение Lp·S·m было принято за постоянную величину, т.к. в него входит трудноопределимый параметр Lр. Такой подход к решению уравнения позволил определить долевое участие поровых каналов в фильтрационном процессе.
Полученные распределения долевого участия пор в фильтрации (рис. 2) свидетельствуют о том, что поры радиусом r>1 мкм для фильтрационных показателей не информативны, т.к. участие этих пор в процессе фильтрации жидкостей минимально. Причем кривые долевого участия пор в фильтрации и кривые капиллярного давления Rк = f (Sа) этих же образцов показывают, что из пор r2МПа). Такие поры не участвуют в фильтрационном процессе и их принято называть субкапиллярными.
В образцах с проницаемостью менее 4 мД доля субкапиллярных пор составляет более 60%. Коллекторы такого класса вряд ли представляют интерес для процессов интенсификации притоков физико-химическими способами.
В коллекторах 4–5 классов (по Ханину) доля субкапиллярных пор убывает с 60 до 20–30%. В породах 5 класса доля микропор радиусом 1
Автор: Клещенко И.И. (ООО ТюменьНИИГипрогаз) Кузнецов Н.П., Ягафаров А.К. (ЗАО ТННЦ) Лепнев Э.Н. (ТФ СургутНИПИнефть)
