Пористость измеряется: Что такое Пористость — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

Пористость пород — виды и формулы определения пористости

Пористость горной породы – это наличие в ней незаполненных твердым веществом пор. Емкостные свойства пород–коллекторов обусловлены наличием в них пустотного пространства, способного заполняться нефтью, газом или водой.

Пустоты бывают трех видов: поры, каверны и трещины. Соответственно и коллекторы образуют три основных типа: поровый, каверновый и трещинный, а также различные сочетания этих типов. Различают полную (абсолютную) и открытую пористость.

Содержание

Полная и открытая пористость

Полная пористость – это объем всех пор, находящихся в горной породе.

Открытая пористость – это объем пор, сообщающихся между  cобой. Количественно та и другая пористость выражается коэффициентом пористости, который представляет собой отношение объема пор к объему образца породы:

Поры в пемзе

коэффициент полной пористости равен:

коэффициент открытой пористости равен:

где Кп. п. и Ко.п. – соответственно коэффициенты полной и открытой пористости;

Vп.п. и Vо.п. — объем полной, открытой пористости, м3;

Vобр. – объем образца породы, м33.

Коэффициент пористости измеряется в долях единицы (например, Кп=0,15) или в процентах (Кп=15 %).

В нефтегазопромысловой геологии более важен коэффициент открытой пористости, т.к. он характеризует объем углеводородов, содержащийся в породе. На практике коэффициент открытой пористости определяется в лабораторных условиях по методу Преображенского или по данным геофизических исследований в скважине (ГИС).

Метод Преображенского основан на насыщении пористого образца керосином под вакуумом. Определив объем керосина, заполнившего поры, и объем всего образца, получим возможность расчета коэффициента открытой пористости.

Виды порового пространства и каналов

По величине поровых каналов пористость условно подразделяется на три группы:

  1. Сверхкапиллярные – диаметр 2 – 0,5 мм;
  2. Капиллярные – диаметр 0,5 – 0,0002 мм;
  3. Субкапиллярные – диаметр менее 0,0002 мм.

По крупным (сверхкапиллярным) порам движения нефти и газа происходит свободно, а по капиллярным – при значительном участии капиллярных сил.

Субкапиллярные каналы, независимо от величины пористости практически непроницаемы (глины, глинистые сланцы, плотные известняки и др.).

Открытая пористость коллекторов на практике изменяется в широких пределах – от нескольких процентов до 35 %, в большинстве случаев она изменяется от 6 – 8 до 25 %. Пограничные значения пористости между коллектором и неколлектором лежат в пределах 4 – 6 %.

На величину пористости влияет взаимное расположение зерен. Возможное расположение частиц в песчаной породе показано на рисунках 1, 2.

  Рисунок 1 – Возможное расположение частиц в песчаной породе.

Наименее плотная укладка зерен:

                                                                                                          а                                            б

 а — наиболее плотная мягкая укладка зерен; б — менее плотная укладка.

Рисунок 2 – Возможное расположение частиц в песчаной породе

В первом случае теоретическая величина пористости составляет 47,6 %, во втором – 25,9 %. Величина пористости не зависит от размера составляющих пород зерен. Виды пористого пространства пород представлены на рисунке 3.

а – хорошо окатанный и отсортированный песок с высокой пористостью; б – плохо отсортированный песок с низкой пористостью; в – хорошо отсортированная порода, зерна которой также пористы; г – хорошо отсортированная порода, пористость которой уменьшена отложениями минерального вещества в пространстве между зернами; д – поровое пространство трещиноватых известняков, частично расширенное растворением; е – порода, ставшая пористой вследствие возникновения трещин.

Рисунок 3 – Виды порового пространства пород (по В.Д. Ломтадзе)

Кавернозность и трещиноватость пород

Кавернозность характерна для карбонатных пород, подверженных растворению. Каверны от пор отличаются лишь размерами. Принято к кавернам относить пустоты с размерами не менее 2 мм, т.е. более чем размер сверхкапиллярных пор. Коэффициент полной кавернозности и открытой кавернозности определяется аналогично коэффициентам пористости.

Трещиноватость горных пород обусловлена наличием трещин, не заполненных твердым веществом. Трещиноватостью обладают в основном плотные, крепкие, низкопоровые хрупкие породы. Наличие в такой породе разветвленной системы трещин обеспечивает коллекторскую емкость.

Трещинную емкость можно определить в шлифе под микроскопом по формуле:

где Кт – трещинная емкость, см3;

b – раскрытость трещин в шлифе, т.е. расстояние между стенками трещины, см;

l – суммарная протяженность всех трещин в шлифе;

F – площадь шлифа, см2.

По степени раскрытости трещин выделяются макротрещины, видимые невооруженным глазом с раскрытостью более 0,1 мм, и микротрещины, различимые лишь в шлифах под микроскопом с раскрытостью менее 0,1 мм. Трещинный тип коллектора в чистом виде встречается редко. Как правило, микротрещинные участки породы имеют дополнительную емкость за счет пористости и кавернозности. На практике коллектора делят на поровые, каверновые, трещинные и смешанного типа: трещинно – поровые, трещинно – каверновые, трещинно – порово – каверновые, каверно – поровые и др.

Измерения пористости

Измерения пористости

Измерения, необходимые для вычисления пористости, производятся в лаборатории на небольших кусочках, вырезанных из керна, либо на шламе. К настоящему времени разработано и описано большое число методов быстрого и точного определения пористости. Применяется также несколько качественных методов оценки пористости, дополняющих различные виды анализа кернового материала или заменяющих последние, когда они невозможны. Ниже приводится их краткое описание.

Электрокаротаж. Этот метод заключается в измерении (в милливольтах) естественного электрического потенциала пород (спонтанного потенциала, или ПС). Низкие значения потенциала устанавливаются против непроницаемых пластов, тогда как более высокие значения — против пористых (проницаемых) слоев.

Радиоактивный каротаж. С помощью гамма-каротажа измеряют естественное гамма-излучение пройденных скважиной пород, а с помощью другой разновидности радиоактивного каротажа ‑ нейтронного каротажа ‑ измеряют гамма-излучение из пород, возбуждаемое действием нейтронов. Нейтронный каротаж фиксирует прежде всего содержание в пласте водорода и, следовательно, указывает на присутствие в толще пород флюидов, таких, как газ, нефть и вода. Наличие же последних свидетельствует о том, что породы обладают пористостью. Гамма-каротаж и нейтронный каротаж широко используются для выявления пористости известняковых и доломитовых коллекторов.

Другие виды каротажа. Очень полезны для определения пористости пород-коллекторов микрокаротаж и акустический каротаж. Качественную характеристику пористых зон позволяет выявить и кавернометрия, а в совокупности с другими видами каротажа она дает возможность произвести даже количественное определение пористости.

Исследование шлама под микроскопом. В случае отсутствия керна очень часто единственным способом непосредственного наблюдения пористости является изучение под бинокулярным микроскопом кусочков бурового шлама. Нефть, насыщающая мельчайшие пустоты, может быть обнаружена благодаря ее флуоресценции под ультрафиолетовыми лучами. Опытный микроскопист может быстро определить характер пористости и дать качественную оценку ее относительной величины, используя такие термины, как «непроницаемый», «плотный», «пустоты», «точечная пористость», «пористый», «кавернозный», «межкристаллическая», «межзерновая». Отсутствие в породе пор, видимых в микроскоп, обычно свидетельствует о том, что породы имеют слишком низкую пористость, чтобы содержать значительные количества нефти.

Малый объем порового пространства коллектора, как может быть установлено под микроскопом, обусловливается различными факторами: порода может быть, например, плотным тонкокристаллическим литографским известняком или доломитом; она может состоять из мелких и очень мелких песчаных частиц; содержать большое количество глинистых частиц, слагающих основную массу или образующих оболочки на песчаных зернах; содержать большое количество цемента; поровое пространство породы может быть занято в значительной степени каким-либо веществом, попавшим в поры под давлением.

Механический каротаж. Неожиданное увеличение значений проходки на диаграмме механического каротажа, обусловленное резким повышением скорости бурения с «проваливанием» бурового инструмента, часто свидетельствует о вскрытии толщи пористых пород. Чем больше пор содержит порода, тем меньшей плотностью она обладает и легче поддается разбуриванию. Подобные изменения скорости проходки часто рассматриваются как указание на наличие продуктивного пласта и служит сигналом для начала отбора керна с целью определения характера пород.

Неполное извлечение керна. Керн, извлекаемый при вращательном бурении обычным колонковым буром, может оказаться короче соответствующего интервала его отбора. Очень часто эта неполнота извлечения керна обусловливается трещиноватостью, пористостью и несцементированностью породы-коллектора, вследствие чего последняя не полностью захватывается колонкой и частично выносится на поверхность в виде бурового шлама. Тот факт, что зоны неполного извлечения керна могут соответствовать толщам пород с аномально высокой пористостью, объясняет существование эмпирического правила: «Керн не извлекается ‑ хорошая скважина».

Конечно, никогда нельзя сказать с уверенностью, действительно ли плохой вынос керна указывает на высокую пористость пород соответствующего интервала разреза, однако определенную помощь в решении этого вопроса могут оказать данные механического каротажа, поскольку пористые породы бурятся быстрее, чем плотные.

Появление алмазных колонковых долот сделало возможным почти стопроцентный вынос керна; поэтому их применение обычно позволяет производить непрерывную регистрацию изменений пористости вскрываемых скважиной пород по керну.

Wisconsin Geological & Natural History Survey » Понимание пористости и плотности

Что такое пористость?

Пористость – это процент пустот в породе.

Пористость – это процент пустот в породе. Он определяется как отношение объема пустот или порового пространства к общему объему. Он записывается либо в виде десятичной дроби от 0 до 1, либо в виде процента. Для большинства пород пористость колеблется от менее 1% до 40%.

 

 

Пористость породы зависит от многих факторов, включая тип породы и расположение зерен породы. Например, кристаллическая порода, такая как гранит, имеет очень низкую пористость (<1%), поскольку единственными порами являются крошечные, длинные и тонкие трещины между отдельными минеральными зернами. Песчаники, как правило, имеют гораздо более высокую пористость (10–35%), потому что отдельные зерна песка или минералов не плотно прилегают друг к другу, что приводит к увеличению пористого пространства.

Визуализация порового пространства (поры показаны синим цветом)

ПЕСЧАНИК

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОРОДА

Измерения пористости пород штата Висконсин

Большая часть этих вариаций связана с литологией (типом породы). В таблице данных указана пористость протестированных образцов, а на рисунке ниже показан диапазон и распределение пористости по литологии. Доломиты имеют самую низкую пористость (2–6%), сланцы имеют самый широкий диапазон пористости (8–29%, хотя у большинства меньше 15%), а песчаники обладают наибольшей пористостью (11–32%).

Рисунок 1. Распределение пористости доломита, сланца и песчаника.

Измерения плотности горных пород Висконсина

Плотность пород зависит от плотности
• отдельных зерен,
• пористости и
• жидкости, заполняющей поры.

Плотность определяется как масса на единицу объема. В горных породах это функция плотности отдельных зерен, пористости и жидкости, заполняющей поры. Горные породы бывают трех типов плотности: сухая плотность, влажная плотность, и плотность зерна .

В таблице данных указана плотность образцов в сухом и влажном состоянии, а также плотность зерна. Дополнительные значения плотности во влажном состоянии для горных пород Висконсина можно найти в «Плотности и магнитной восприимчивости горных пород Висконсина» С.И. Датча, Р.К. Бойл, С.К. Джонс-Хоффбек и С.М. Vandenbush ( Geoscience Wisconsin , Vol. 15, p. 53–70).

Просмотр данных

Измерения и распределения плотности

Плотность в сухом состоянии

Рис. 2. Распределение плотности в сухом состоянии доломита, сланца и песчаника.

Сухая плотность измеряется на породах без воды или жидкости в порах.

 

 

См. Рисунок 2 для распределения плотности в сухом состоянии доломита, сланца и песчаника.

Плотность во влажном состоянии

Рис. 3. Распределение плотности во влажном состоянии для доломита, сланца и песчаника.

Плотность во влажном состоянии измеряется на полностью насыщенных сердцевинах.

 

 

На рисунке 3 показано распределение плотности во влажном состоянии для доломита, сланца и песчаника.

Плотность зерен

Рис. 4. Распределение плотности зерен для доломита, сланца и песчаника.

Плотность зерен описывает плотность твердых или минеральных зерен породы.

Плотность зерна может дать представление о минералогическом составе породы:

  • Доломит, ρ = 2,8–3,1 г/см 3
  • Сланцы, ρ = 2,65–2,8 г/см 3
    Сланцы состоят из нескольких минералов, которые имеют разную плотность в разных относительных количествах. Минералы могут включать такие глины, как иллит (ρ = 2,6–2,9 г/см 3 ) и каолинит (ρ = 2,6 г/см 3 ), смешанные, например, с доломитом (ρ = 2,8–3,1 г/см3). 3 ) и кальцит (ρ = 2,71 г/см 3 ).
  • Песчаники, ρ = 2,65–2,80 г/см 3
    Почти половина песчаников имеет плотность зерен, близкую к 2,65 г/см 3 , плотность кварца, что позволяет предположить, что эти песчаники состоят из зерен кварца и цемента. Остальные песчаники имеют несколько большую плотность зерен, скорее всего, за счет смешения кварца с более плотными минералами, такими как кальцит (ρ = 2,71 г/см 3 ) или доломит (ρ = 2,8–3,1 г/см 3 ).

 

На рис. 4 показано распределение плотности зерен доломита, сланца и песчаника.

Методы измерения

Измерение пористости

Пористость определяли путем измерения общего объема и объема порового пространства образцов. Мы подготовили правильные цилиндрические керны, используя пресс для колонкового бурения, скальную пилу и плоскошлифовальную машину.

Измерение объема образца:  Рассчитывается путем измерения длины и диаметра цилиндров с помощью штангенциркуля. Большинство образцов имели номинальный диаметр 2 дюйма и длину от 1 до 3 дюймов.

Сушка образцов: Образцы были высушены в печи при 70°C (158°F) в течение не менее 24 часов перед испытанием.

Измерение объема порового пространства:  Объем порового пространства определяли с помощью гелиевого пикнометра. Гелиевый пикнометр использует закон Бойля (P 1 V 1 = P 2 V 2 ) и газообразный гелий, который быстро проникает в небольшие поры и является нереакционноспособным, для определения твердой части образца. Ядро помещают в камеру для образцов известного объема. Эталонная камера, также известного объема, находится под давлением. Затем две камеры соединяются, позволяя газообразному гелию течь из эталонной камеры в камеру для образца. Соотношение начального и конечного давлений используется для определения объема твердого вещества образца. Объем пор представляет собой разницу между общим объемом и твердым объемом, определенным с помощью гелиевого пикнометра. Этот метод можно использовать только для измерения пор, которые связаны между собой. Гелий и вода не проникают в изолированные поры, поэтому эти поры не учитываются при измерении пористости.

Измерение плотности

Плотность в сухом состоянии определяли путем взвешивания образцов после сушки и деления массы на общий объем образца.

Плотность во влажном состоянии затем рассчитывали, предполагая, что пористость образца заполнена водой, добавляя эту массу к измеренной сухой массе и разделив сумму на общий объем образца.

Плотность зерна  была рассчитана путем вычитания объема порового пространства из общего объема образца и последующего деления разницы на сухую массу.

Просмотр данных

Прокрутите вверх

3.2.1: Пористость по лабораторным измерениям

Одним из методов определения пористости является лабораторное измерение образцов керна, доставленных на поверхность во время бурения. Измерение пористости в лаборатории является частью стандартного анализа керна , иногда называемого PKS Analysis (анализ пористости, проницаемости и насыщения).

Образцы керна представляют собой образцы горных пород, которые вырезаются из пласта-коллектора с использованием специализированных Буровые коронки . Извлечение образцов керна — очень сложный процесс, требующий тщательного планирования. При вырезании керна необходимо учитывать все этапы процесса отбора керна, чтобы гарантировать, что пористость не изменится до его доставки в лабораторию. Эти этапы включают резку керна, обработку керна, консервацию керна, транспортировку керна, отбор керна и тестирование керна. Как правило, специалист по оценке пласта берет на себя ведущую роль в разработке программы керна, работая с геологом-разработчиком, инженером-разработчиком и инженером по бурению.

После извлечения репрезентативных образцов керна и доставки их в лабораторию существует несколько методов, которые можно использовать для определения пористости. Как показано в уравнениях с 3.01 по 3.03 , для определения пористости нам необходимо определить два из трех объемов, Vb, Vp или Vg. Как только они определены, становятся известны пористость и третий объем.

Объемный объем, Vb, определение

Объемный объем можно определить одним из двух методов: физическим измерением и перемещением. Использование физических измерений применимо только к образцам керна правильной геометрической формы. Как следует из названия, физические измерения включают в себя измерение размеров образца керна (обычно это цилиндрическая пробка керна) и расчет объема по стандартным объемным формулам.

Методы вытеснения включают погружение образца керна в ртуть внутри пикнометра или градуированного цилиндра. Ртуть используется в методах вытеснения для предотвращения проникновения в поровое пространство. Общий объем образца представляет собой кажущееся изменение объема ртути в пикнометре или градуированном цилиндре. В качестве альтернативы можно использовать принцип Архимеда для определения общего объема образца керна по кажущемуся изменению веса из-за плавучести при полном погружении.

Объем зерна, Vg, определение

Самый прямой метод определения объема зерна заключается в измерении веса высушенного образца и делении на плотность скелета горной породы. К сожалению, плотность горных пород часто не известна точно.

Второй метод, аналогичный методу погружения для определения общего объема, может использоваться для определения объема зерна. В этом методе образец керна измельчается, а полученные зерна породы помещаются в пикнометр или градуированный цилиндр вместе с известным объемом жидкости. Затем объем зерен породы можно определить по кажущемуся изменению объема жидкости (метод Рассела) после погружения или по кажущемуся изменению веса (метод Мелчера-Наттинга) погруженного образца из-за плавучести с использованием закона Архимеда.

К сожалению, недостатком этого метода является его деструктивность. После того, как образец измельчен, его нельзя использовать для дальнейшего тестирования. Поскольку мы раздробили образец керна на составляющие его зерна породы, пористость, определяемая по погружению этих зерен, представляет собой общую пористость ϕt.

Третий метод — закон Бойля. Как следует из названия, для определения объема зерна используется закон Бойля:

p1V1=p2V2

Уравнение 3.04

В этом методе образец керна помещается в одну камеру экспериментальной установки, состоящей из двух камер известного объема, соединенных закрытым клапаном. В камеры вводят инертный газ (гелий или азот) при различных, но известных давлениях. В этот момент общее количество молей n T в аппарате можно определить по формуле:

Уравнение 3.07

Для изотермических условий это сводится к закону Бойля:

pfVT=p1V1+p2V2

Уравнение 3.08

Клапан между камерами открывается и давление стабилизируется до конечного давления, p f и записывается. Если предположить, что образец керна был помещен в камеру 1, то имеем:

pf(V1+V2−Vg)=p1(V1−Vg)+p2V2

Уравнение 3.09

Пример 3.01

Учитывая следующее данные:

  • Масса образца измельченного керна на воздухе: Wtсух. = 20,0 г
  • Масса образца измельченного керна в воде: Wtimm=15,0 г
  • Плотность воды: ρw=1,0 г/куб.см

Используйте принцип Архимеда для расчета объема зерна образца.

Щелкните для ответа…

РЕШЕНИЕ:

Вес вытесненной воды — это просто видимое изменение веса образца из-за плавучести:

Wtdisplaced=Wtdry−Wtimm

Wtdisplaced=20,0 г·м−15,0 г·м=5,0 г·м

Тогда объем зерен породы становится объемом вытесненной воды: :

Vg=V1(pf-p1)+V2(pf-p2)(pf-p1)

Уравнение 3.10

Преимущества этого метода в том, что он неразрушающий и может быть очень точным. Недостатком этого метода является то, что для образцов керна с низкой проницаемостью может потребоваться длительное время для стабилизации давления. Поскольку газы могут входить или выходить только через соединенные поры, пористость, полученная с помощью метода закона Бойля, представляет собой эффективную пористость ϕe.

Объем пор, Vp, определение

Ранние методы, использовавшиеся для определения объема пор, такие как Метод Уошберна-Бантинга , использовали введение ртути в поры образца керна. В этих методах ввода ртути ртуть под высоким давлением вводилась в образец керна, и измерялся объем ртути, поступающей в керн. Эти методы имели ряд недостатков, в том числе разрушительный характер испытания и сжатие любых газов в образце керна с сохранением остаточного объема, что приводило к неточностям измерений.

Пример 3.02

Учитывая данные:

  • V1=100cc
  • V2=100cc
  • p1=15,0 psi
  • p2=60,0 фунтов на квадратный дюйм

Когда клапан между камерой 1 и камерой 2 открыт, давление стабилизируется на уровне pf=39,0 фунтов на квадратный дюйм. Каков объем зерна образца керна?

Щелкните для ответа…

РЕШЕНИЕ:

Из уравнения 3.10 имеем:

Vg=100 куб..0 psi−60,0 psi)(39,0 psi−15,0 psi)

vg=12,5 см3

Второй метод, метод повторного насыщения , использует чистый сухой образец керна и повторно насыщает его жидкостью известной плотности. Затем изменение веса образца можно использовать для определения объема пор V p образца

. Поскольку флюид может входить или выходить только из связанных пор, пористость, полученная методом повторного насыщения, представляет собой эффективную пористость. , фэ.

Третий метод определения объема пор – это Метод суммирования жидкостей . В этом методе образец керна в исходном состоянии (не очищенный и не высушенный) делится пополам. В одной из половин впрыск ртути используется для оценки объема газа, а вторая половина используется в процессе ретортации (дистилляции) для определения объемов нефти и воды. Затем поровый объем устанавливается равным сумме объемов жидкости. Преимущество этого метода в том, что насыщенность фаз (доля порового пространства, занятая каждой фазой – нефтью, газом и водой) может быть определена одновременно с пористостью. Недостатками метода являются разрушающий характер испытания и предположение о том, что обе половины образца керна содержат одинаковые объемы жидкости.

Опять же, в методе суммирования флюидов флюиды могут входить или выходить только из связанных пор. Следовательно, пористость, полученная этим методом, представляет собой эффективную пористость ϕe.

Пример 3.03

При следующих данных:

  • Вес чистого высушенного образца керна на воздухе: Wtсух. = 20,0 г
  • Вес образца керна, насыщенного водой: Wtsat=22,5 г
  • Плотность воды: ρw=1,0 г/куб.см

Каков объем пор образца керна?

Щелкните для ответа…

РЕШЕНИЕ:

Вес воды, насыщающей образец: образца керна становится объемом воды, насыщающей керн:

vgp=Wtwaterρw=2,5 г/м1,0 г/куб.