К.И. Багринцева, Т.Г. Куц, А.Т. Садыбеков (ВНИГНИ)

Метод низкотемпературной адсорбции азота или аргона позволяет получить лишь оценку суммарной полной удельной поверхности образца. Полученные этим методом значения трудно связать с основными фильтрационно-емкостными и структурными свойствами породы особенно в карбонатах с относительно низкой удельной поверхностью по сравнению с другими литотипами.

Метод фильтрации, основанный на использовании формулы Козени-Кармана [3], применяется для определения удельной поверхности фильтрующих пор. Формула Козени-Кармана справедлива для идеальных пористых сред и связывает пористость m, проницаемость K_пр и удельную поверхность фильтрации S_ф:

Метод ртутной порометрии основан на изучении процесса вдавливания ртути в образец путем ступенчатого увеличения внешнего давления. При этом радиус порового канала определяется достигнутым капиллярным давлением. Этот метод позволяет получить оценку не только полной удельной поверхности породы S_П, но и удельной поверхности фильтрации, которая определяется порами, принимающими участие в движении флюида. Расчет удельной поверхности производится по формуле, полученной для модели порового пространства в виде пучка параллельных капиллярных трубок:

где k_i доля пор радиуса r_i- в общем объеме пор. При обработке порометрических данных для определения диапазона радиусов пор суммирование проводят последовательно от более крупных пор к мелким, получая таким образом различные характеристики порового пространства [1].

Накопленный богатый экспериментальный материал по определению фильтрационно-емкостных и структурных параметров карбонатных пород-коллекторов месторождений нефти и газа Жанажол, Карачаганак, Тенгиз и Астраханское Прикаспийской впадины послужил основой коллекции из 113 образцов коллекторов преимущественно порового типа, представленных известняками, доломитами и их переходными разностями. Согласно оценочно-генетической классификации карбонатных коллекторов К.И. Багринцевой (1977) изученные коллекторы были отнесены к I-VI классам. Для установления закономерностей использовались также образцы низкопористых (5-9 %) и плохопроницаемых (< 0,001 мкм²) пород, не относящихся к коллекторам порового типа. Изучение таких пород важно еще и потому, что, обладая существенным емкостным потенциалом, они при развитии трещиноватости и кавернозности имеют практическую ценность как коллекторы сложных типов. На образцах данной коллекции было проведено изучение структуры пустотного пространства методом ртутной порометрии на аппаратуре фирмы Carlo Erba, позволяющей оценивать содержание пор радиусом от 0,004 до 50,0 мкм.

Некоторые результаты этих исследований по рассматриваемым месторождениям наряду с оценками теоретической проницаемости с учетом связанности пор [2] и удельной поверхности (табл. 1) выявили большие расхождения между значениями полной удельной поверхности и удельной поверхности фильтрации (на 1-2 порядка), что согласуется с данными других исследователей [3] и обусловлено существенным вкладом микропор в оценку полной удельной поверхности содержания.

Результаты лабораторных исследований фильтрационно-емкостных и структурных параметров карбонатных пород подвергались статистическому анализу. Прежде всего, следует отметить, что доломиты по фильтрационно-емкостным и структурным параметрам характеризуются более сложным строением по сравнению с известняками. Так, в классе среднепроницаемых коллекторов (0,01 мкм² < К_пр < 0,1 мкм²) среднее значение полной удельной поверхности для известняков 3,44 м²/см³, а для доломитов – 5,62 м²/см³ при средних значениях долевого содержания субкапиллярных пор соответственно 11,3 и14,0 %; в классе низкопроницаемых коллекторов (0,001 мкм² < К_пр < 0,01 мкм²) для известняков – 6,42 м²/см³, а для доломитов – 13,71 м²/см³ при средних значениях долевого содержания субкапиллярных пор соответственно 14,4 и 21,4 %. Такая тенденция наиболее четко прослеживается для коллекторов с преобладанием первичной пористости и хорошими фильтрационными свойствами. По мере усложнения пустотного пространства карбонатных коллекторов наблюдается нивелирование различий в характерных значениях фильтрационно-емкостных и структурных параметров известняков и доломитов, что обусловлено, вероятно, близким по природе и интенсивности характером постседиментационных изменений. Статистический анализ показал, что, несмотря на отмеченную тенденцию, разделить общую совокупность образцов по фильтрационно-емкостным и структурным параметрам на две генеральные совокупности, отвечающие известнякам и доломитам, с достаточной точностью невозможно. Дальнейшая дифференциация по литологическому признаку для получения средних и квартальных значений основных параметров не производилась. Результаты данной статистической обработки приведены в табл. 2 по каждому месторождению и региону в целом.

Величина полной удельной поверхности высокопроницаемых карбонатных коллекторов (классы I-III) находится в пределах 0,79-2,05 м²/см³, изредка достигая 4,9 м²/см³, удельная поверхность фильтрации таких коллекторов много меньше – от 0,12 до 0,21м²/см³, редко до 0,27 м²/см³. Значительный коллекторский потенциал подтверждается преобладанием крупных пор, совокупность которых характеризуется самыми высокими значениями среднего радиуса, как всей совокупности пор, так и фильтрующих пор. Коллекторы этих классов изучены на месторождениях Жанажол и Карачаганак. Наименьшая удельная поверхность фильтрации (0,115-0,140м²/см³) отмечена в известняках карбонатной толщи КТ-1 месторождения Жанажол, где интенсивно развита кавернозность.

Увеличение долевого содержания субкапиллярных пор (до 6-15 % в IV-V классах и до 9-19 % в VI классе) ведет к ухудшению коллекторских свойств, существенному изменению структурных параметров пород. В IV-VI классах средние радиусы как всей совокупности пор, так и фильтрующих уменьшаются, а значения полной удельной поверхности и удельной поверхности фильтрации увеличиваются. По отдельным месторождениям средние и квартальные значения довольно заметно различаются между собой, фиксируя параметры как с более узким диапазоном изменчивости, так и с более широким по сравнению с таковым по всей коллекции. Например, для Астраханского месторождения распределение средних радиусов всей совокупности пор и радиусов фильтрующих пор коллекторов имеет выдержанный характер: 0,29-0,56 и 0,44-0,75 мкм соответственно. Значения удельной поверхности как полной, так и фильтрации самые высокие: соответственно 4,05-9,43 и 2,72-4,74 м²/см³. Такие аномальные значения и малый диапазон изменения обусловлены тем, что практически все изученные разности пород однородны и представляют VI класс коллекторов.

В отличие от пород Астраханского месторождения отложения других месторождений имеют более широкий диапазон изменения основных фильтрационно-емкостных свойств, что определяется наличием нескольких классов коллекторов. Так, среди образцов месторождения Тенгиз выделены коллекторы V и VI классов, месторождения Карачаганак – IV-VI классов (1 образец отнесен к I классу), а месторождения Жанажол – II-VI классов (см. табл. 2). Эти данные позволили ранжировать коллекторы месторождений по степени ухудшения коллекторского потенциала в следующем порядке: Жанажол, Карачаганак, Тенгиз и Астраханское. Вместе с тем анализ средних и квартальных значений основных фильтрационно-емкостных и структурных параметров по классам коллекторов показывает, что для каждой совокупности существуют некоторые характерные значения удельной поверхности, средних радиусов всей совокупности пор и фильтрующих пор, которые незначительно меняются по месторождениям.

Общеизвестно, что максимальные значения удельной поверхности наблюдаются в тонко- и микропористых породах. Зависимости полной удельной поверхности и удельной поверхности фильтрации от содержания субкапиллярных пор (радиус менее 0,1 мкм) прямо пропорциональны (рис. 1 ,а), т.е. с повышением содержания субкапиллярных пор увеличивается и удельная поверхность. Как видно из рис. 1, зависимость полной удельной поверхности от содержания микропор является более четкой (коэффициент корреляции 0,94, s= 0,029, N = 104). Причем в диапазоне содержания микропор от 0 до 20 % (область коллекторов) полная удельная поверхность меняется особенно сильно (на 1-2 порядка), а в остальном диапазоне наблюдается зависимость, близкая к линейной. Решение задачи нелинейной регрессии позволило получить уравнение связи вида lgS_п=l,4491ga - 0,9938, где S_п - полная удельная поверхность, м²/см³; a - долевое содержание микропор, %, ко всему объему пор.

Влияние структурных особенностей порового пространства на удельную поверхность носит еще более выраженный характер. На рис. 1, б, в показаны зависимости полной удельной поверхности и удельной поверхности фильтрации от среднего радиуса всей совокупности пор и среднего радиуса фильтрующих пор. Эти зависимости носят обратно пропорциональный характер. При этом, если на рис. 1,б наиболее тесная связь (коэффициент корреляции -0,94, s= 0,03, N = 99) характерна для зависимости полная удельная поверхность – средний радиус пор, то на рис. 1, в более выражена связь удельная поверхность фильтрации – средний радиус фильтрующих пор (коэффициент корреляции -0,99, s= 0,0034, N = 108). Такие результаты можно объяснить тем, что основной вклад в величину полной удельной поверхности вносят субкапиллярные поры, которые практически не оказывают влияния на процессы фильтрации в пористой среде в отличие от более крупных пор, но существенно снижают величину среднего радиуса всей совокупности пор. Непосредственное влияние фильтрующих пор начинает сказываться на полной удельной поверхности только в высокопористых разностях с низким содержанием мелких пор.

Сравнение значений удельной поверхности, вычисленных по порометрическим данным и формуле Козени-Кармана, выявило их сопоставимость. Зависимость между значениями удельной поверхности фильтрации (рис. 2), полученными по формулам (1) и (2), близка к линейной с коэффициентом корреляции 0,91 (s= 0,192, N = 104). Наблюдается некоторое систематическое превышение значений удельной поверхности, оцененных по данным ртутной порометрии, относительно рассчитанных по формуле Козени-Кармана. Отмеченное несоответствие значительно в низкопористых и слабопроницаемых породах при удельной поверхности фильтрации свыше 0,5 м² /см³ . Для пористо-проницаемых разностей можно констатировать удовлетворительное совпадение оценок, полученных разными методами. Формула Козени-Кармана была в дальнейшем использована Ф.И. Котяховым, дополнившим ее поправочными коэффициентами, более точно учитывающими сложное строение карбонатных коллекторов.

Наблюдаемое систематическое отклонение рассчитанных значений по формуле Козени-Кармана от результатов обработки порометрических данных отражает более сложный характер реальной пористой среды по сравнению с идеальной, теоретически представленной пучком параллельных капилляров (см. рис. 2).

Уравнение Козени-Кармана графически может быть представлено как поверхность в трехмерном пространстве: пористость, проницаемость и удельная поверхность фильтрации. Изолинии этой поверхности, образующие на двухмерной плоскости пористость – проницаемость палетку для оценки третьего параметра, показаны на рис. 3 в виде пунктирных линий. Эти результаты позволили модифицировать палетку для экспрессной оценки удельной поверхности фильтрации карбонатных коллекторов порового типа Прикаспийской впадины. Изолинии новой палетки, построенной по эмпирическим данным, показаны на рис. 3 сплошными линиями. При сопоставлении этих палеток необходимо отметить, что близкие значения удельной поверхности фильтрации можно ожидать для высокоемких и высокопроницаемых коллекторов, в то время как с ухудшением фильтрационно-емкостных свойств разница в оцениваемых значениях удельной поверхности возрастает.

Выражение (3) можно рекомендовать в качестве основы для расчета удельной поверхности фильтрации карбонатных коллекторов порового типа Прикаспийской впадины, а саму модифицированную палетку (см. рис. 3), которая является, по существу, графическим аналогом выражения (3), – для экспрессной оценки удельной поверхности фильтрации по значениям пористости и проницаемости, полученным при лабораторных либо промысловых исследованиях.

1. Добрынин В.М., Венделыптейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика: Учеб для вузов. - М : Недра, 1991.
2. Шершуков И.В. Учет связанности проводящих каналов при обосновании фильтрационных свойств трещиноватых и пористых сред // Эффективные методы прогноза нефтегазоносности природных резервуаров: Тр. ВНИГНИ. - М., 1988. -С. 65-76.
3. Purceil W.R. Capillary pressures - their measurement using mercury and the calculation of permeability therefrom // Trans. AIME. - 1949. -Vol.186 - P. 39-48.

To know a specific surface is essential for establishing the relations between the main porosity and permeability parameters and finding out the effect of surfactants on sedimentary strata. The authors were the first to propose for carbonate rocks a procedure of specific filtration surface evaluation on the basis of porosimetric curves processing with due regard for pore coherency. Porosity, permeability and specific filtration surface are found to be closely correlated. The authors propose a formula and a standard curve to determine a specific filtration surface in porous carbonate reservoirs. A comparative analysis of specific surface of carbonate rocks alteration within the fields of Pre-Caspian depression allowed to reveal a common tendency for a specific surface increase with formation damage. Specific surface is most affected by a content of subcapillary pores which prevail in complicated reservoir types. A different alteration range of specific surface in carbonate rocks of the Zhanazhol, Karachaganak, Tengis and Astrakhan fields is caused by development of various classed reservoirs. The generalized typical and boundary values of specific surface, mean radius of all the pores combined and mean radius of filtration pores according to reservoir classes which may be regarded as additional classification criteria were obtained.

Таблица 1 Изменение фильтрационно-емкостных и структурных параметров в карбонатных коллекторах

Таблица 2 Средние значения основных фильтрационно-емкостных и структурных параметров карбонатных коллекторов порового типа месторождений Прикаспийской впадины

1 - полная удельная поверхность S₀, м² /см³ , 2 - удельная поверхность фильтрации Sф, м² /см³

1 - линия регрессии; 2 - доверительный интервал по уровню s и 2s

Изолинии удельной поверхности фильтрации, м²/см³:1 - модифицированной палетки, 2 - палетки, рассчитанной по формуле Козени-Кармана