Проницаемость горных пород

Проницаемостью горных пород называют их способность пропускать жидкость или газ под действием перепада давления. Почти все без исключения осадочные породы обладают проницаемостью. Однако такие породы, как глины, доло­миты, некоторые известняки, несмотря на сравнительно большую пористость имеют заметную проницаемость только для газа. Это объясняется малым размером пор, преимущественно субкапиллярного характера, в которых даже движение газа при реально существующих в пластах перепадах давления затруднено.

Кроме пористости и размера пор на проницаемость горной породы влияют также свойства фильтрующейся жидко­сти и условия фильтрации. Так проницаемость породы для жидкостей, содержащих активные компоненты, которые способ­ны взаимодействовать с пористой средой, будет существенно отличаться от проницаемости той же породы для жидкостей и газов, нейтральных по отношению к ней. При содержании в пористой среде двух и более фаз (нефти, газа, воды) одновре­менно проницаемость различна для каждой из фаз, более того, зависит от доли объема пор, занимаемой фазами, и от взаимо­действия самих фаз. Это привело к необходимости введения понятий абсолютной, фазовой и относительной проницаемо-

стей.

Под абсолютной проницаемостью принято понимать проницаемость горной породы, которая определена по жидко­стям или газам, полностью насыщающим пустотное пространство породы и химически инертным по отношению к ней. Аб­солютная проницаемость характеризует только свойства самой породы и не должна зависеть от физико-химических свойств фильтрующейся жидкости или газа и от условий фильтрации.

Фазовой (эффективной) проницаемостью называют проницаемость горной породы для одной фазы при наличии или движении в поровом пространстве породы многофазной системы. Фазовая проницаемость зависит не только от свойств породы, но и от условий фильтрации, в основном от насыщенности перового пространства той или иной фазой и от характе­ра межмолекулярного взаимодействия на границах раздела между фазами и на поверхности пор.

Влияние условий фильтрации на проницаемость горной породы характеризует относительная фазовая проницае­мость - это отношение фазовой проницаемости к абсолютной.

Рис. 1.3. Графики зависимости относительной проницаемости песка для воды и нефти от водонасыщенности.

На рис. 1.3 приведены экспериментальные зависимости относительной проницаемости песка для воды (kg) и нефти (k„) от водонасыщенности пористого пространства. Как видно из рисунка, при водонасыщенности более 20 % фазовая проницаемость породы для нефти резко снижается, хотя и получаем еще безводную нефть в пределах пластовых градиентов давлений. Это объясняется тем, что за счет молекулярно-поверхностных сил вода удерживается в мелких порах и на поверхности зерен песка в виде тонких пленок, тем самым уменьшая площадь сечения фильтрационных каналов. При достижении водонасыщенности 80 % фильтрация нефти прекращается, хотя еще в пласте имеется нефть. Поэтому нельзя допускать преждевременного обводнения скважин, необходимо предупреждать попадание воды в призабойную зону при вскрытии пласта, при проведении ремонтных работ.

Проницаемость горных пород характеризуется коэффициентом проницаемости, который определяется из формулы линейного закона фильтрации Дарси. По этому закону скорость фильтрации жидкости в пористой среде прямо пропорцио­нальна перепаду давления и обратно пропорциональна вязкости:

(1.4)

где v — скорость линейной фильтрации; k — коэффициент пропорциональности, который называется коэффициен­том проницаемости; /и — динамическая вязкость жидкости; АР — перепад давления между двумя точками в образце на рас­стоянии L по направлению движения жидкости.

Подставляя значения v = Q/F в формулу (1.4) и решая относительно k, получим

k = Q-^\L/(F-^P) (1.5)

где Q — объемный расход жидкости через породу; F— площадь поперечного сечения образца. По формуле (1.5) определяют коэффициент проницаемости пород в лабораторных условиях.

Размерностью коэффициента проницаемости в Международной системе (СИ) является м². Эта размерность получа­ется, если в формулу (1.5) подставить размерности \L\ = м; ГЛ=м²; \0\=^1с; ГР1=Па; [^1=Па-с:

Таким образом в Международной системе (СИ) за единицу проницаемости (1 м²) принимают проницаемость такой пористой среды, при фильтрации через образец которой площадью поперечного сечения 1 м² и длиной 1 м при перепаде давлений 1 Па расход жидкости вязкостью 1 Па • с составляет 1 мЭ/с. Для удобства на практике проницаемость измеряют в микрометрах квадратных - 1 мкм² = 10'¹² м²,

Закон Дарси используется для определении как абсолютной, так и фазовой проницаемости горных пород. Он спра­ведлив в широком диапазоне условий и нарушается лишь при высоких скоростях фильтрации.