книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

положение о зависимости п от объемной сжимаемости (5СК и сжи­ маемости твердой фазы (5Т

где V — объем образца.

При этом было также установлено, что повышение внутреннего давления при неизменном внешнем давлении увеличивает объем только на 3/4 от того, что наблюдается при изменении внешнего

давления при постоянном внутреннем давлении, т. е. п = 0,75. В работе В. Н. Щелкачева [83] не было отмечено существен­ ных изменений коэффициента разгрузки под воздействием давле­ ния и при определении эффективного давления использовалось

среднее значение п = 0,85.

Между тем экспериментальные измерения скорости упругой продольной волны, удельного электрического сопротивления

иобъема пор различных пород, проведенные автором совместно с А. А. Матвеенко и 3. Б. Стефанкевичем [7], показали, что коэф­ фициент разгрузки различен не только для пород разного состава

иструктур, но и для различных физических параметров, измеря­ емых одновременно для одного и того же образца породы.

Согласно работам [ЗБ, 93, 94], безразмерный коэффициент п указывает различие в изменении объема скелета породы, вызван­ ное всесторонним и поровым давлениями. Как известно, рост давления в порах приводит к увеличению объёма скелета породы из-за уменьшения дифференциального давления; с другой сто­ роны, под действием увеличивающегося пластового давления происходит сокращение объема минеральных частиц, составля­

ющих твердую фазу породы, а следовательно, уменьшение и объема скелета породы.

Такая трактовка физического смысла роли пластового давления при оценке степени изменения объема скелета породы справедлива для гранулярных сред, представляющих жестко сцементирован­ ную систему без «пассивной» твердой фазы. Под «пассивной» твердой фазой имеется в виду та часть твердой фазы породы, кото­ рая не испытывает нагрузку со стороны внешних сил, когда по­ следние действуют на эластичную оболочку образца (всесторон­ нее давление).

К средам без «пассивной» твердой фазы можно отнести хорошо сцементированные отсортированные песчаники с контактным типом цемента, в которых отсутствует цемент заполнения пор. Для пород с «пассивной» твердой фазой, которые отражают строение

ждествлять нагрузку на породу под действием внешнего (все­ стороннего) давления с нагрузкой, равной по величине всесто­ роннему давлению, но обусловленной разностью давлений — внешнего и норового.

При оценке деформации, в1Я6ванной как внешним, так и вну­

тренним Давлением, необходимо учитывать только ту часть вну­ треннего давления, которая меняет значение данного физического параметра на величину, равную изменению этого же параметра при росте внешнего давления в условиях постоянного внутреннего давления. В этом заключается физическая сущность эффективного давления и понятие коэффициента разгрузки п, используемого при расчете значений эффективного давления.

Для оценки различия изменения норового объема породы под действием внутреннего давления относительно влияния внеш­ него давления проинтегрируем уравнение (55) по йрь при условии

Ре ~~ Р1 = сОП31.

После интегрирования и преобразования относительное умень­ шение объема пор при изменении йрь в условиях ре — р1 = сопз!: и I = сопз!; определится уравнением

1

— 1 —

Здесь

С = ( 1 - | х„Рт Да ) ( 1 - 4 ) ,

где

(ДУП/7 П)^ — относительное уменьшение объема пор

при р е — Р[ — сопз1; &К1К (Рд — относительное изменение

коэффициента пористости чистого коллектора при изменении р{ в условиях ре — Р { = СОП34

В частном случае, когда -р = О, Д1сп/ка (р,) = О

влении может произойти также увеличение порового объема. Экспериментальные данные для разнотипных пород пред­ ставлены на рис. 39 в виде семейств кривых. Независимо от типа пород под воздействием внутреннего давления при постоянном

внешнем давлении увеличивается объем пор, как бы компенсируя уменьшение порового объема, обусловленное действием внешнего давления. Однако, как и следовало ожидать, наблюдаемые изме­ нения объема пор при постоянном дифференциальном давлении указывают на различие степени изменения АУП/7 П под влиянием внешнего и порового давлений.

Для хорошо отсортированных кварцевых песчаников с кон­ тактным цементом и относительной глинистостью г )< 0,1 изме­ нение объема пор при увеличении р ь до 1000 кГ/см2 в условиях

ре — р; = сопзЪ не превышает 0,2—0,3%. Эти результаты хорошо согласуются с данными расчетов, по уравнению (96) и соответ­ ствуют сжимаемости кварца (|3Т = (2 — 3)*10_6 см2/кГ), явля­

ющимся основным минеральным компонентом породы. Для плохо отсортированных песчаников и. алевролитов с относительной глинистостью до 0,4—0,5 вместо ожидаемого увеличения объема пор наблюдается уменьшение, достигающее 3—3,5%. В частности, для песчаников с относительной глинистостью 0,56; 0,22 и 0,43 и пористостью, соответственно 17,9; 15,2 и 16,3%, согласно урав­ нению (96), объем пор должен повыситься до 1%. Отмечаемое вместо этого уменьшение даже без учета глинистости возможно только при Рт = (20—40) • 10“ ° см2/кГ, что намного превышает

значение |3Т для обломочных частиц осадочных пород. Интересен также характер зависимости (ДУп/Уп)(Ре_р^

от р., наблюдаемый при экспериментах: начальный спад с после­ дующим уменьшением абсолютной величины ДУП/УП, а затем увеличением. Причиной расхождений между экспериментальными и расчетными кривыми по уравнению (96) является изменение коэффициента пористости пород из-за различия упругих харак­ теристик породообразующих минералов, составляющих скелет породы. Данный эффект, учитываемый в уравнении (94) с помощью коэффициента С, зависит также от пористости и относительного

в табл. 16. Из этих данных следует, что основное влияние на харак­ тер зависимости (ДУП/Уц)^-?.^ * от р ( оказывают возможные изменения коэффициента пористости. При сравнительно неболь­ шом уменьшении (Д/сп//сп)(Рс_7Э^^ (на 0,3—0,5%) значение (ДУп/Уп)^ _ р ^ , относительно условия Акп/кп = 0 изме­ няется более чем в 10—15 раз. В зависимости от соотношения ц,

.Рвк/Рт и (Акп/кп{Ре-р.)г, характер изменения (ДУпЛ'п)^-?,.),,

от р. может быть различным. В частности, при высоких значениях ц, Рвк/Рт и незначительном уменьшении кп кривая (ДУп/Уп)(Рс_р.^ ,

от р. может иметь минимум (см. рис. 38).

Различный характер зависимости (ДУП/7 П)^ _ Р.^ * от р ь

Значение коэффициента С (уравнение (94)) в зависимости от коэффициента пористости, давления, относительной глинистости

виден при расчете значении коэффициента разгрузки. Зависимость коэффициента п от давления, рассчитанная по уравнению (87) на основании экспериментальных данных (А7п/^ п)(рг р/). I для образцов различного состава, приведена на рис. 40. Здесь зна­

метры затруднительно, поскольку, согласно уравнению (93),*1 коэффициент разгрузки

Рис. 40. Зависимость ко­ эффициента разгрузки п от дифферепциалыюго да­ вления.

песчаник, цемент глинисто-крем­

которой трудно осуществимо. Поэтому в настоящее время эф­ фективное давление с помощью коэффициента разгрузки следует определять экспериментальным путем для каждого изучаемого комплекса пород.

Как известно, в процессе разработки месторождения нефти или газа наряду с замещением флюида происходит падение пла­ стового давления. На основании результатов, рассмотренных выше, попытаемся оценить возможные изменения пористости и плотности пласта. Знать эти изменения необходимо для интер­ претации повторных гравиметрических наблюдений на долго­ временных гравиметрических пунктах, проводимых с целью усовершенствования методов прямых поисков нефтяных и газовых месторождений.

Падение пластового давления и замещение флюида вызывают:

1)уменьшение количества флюида в пласте;

2)понижение пористости вследствие уплотнения под действием увеличивающегося эффективного давления и расширения «пас­

сивной» части твердой фазы; 3) изменение плотности флюида.

Уменьшение количества жидкости в пласте является функцией как степени разработки месторождения (количества, отобранного флюида), так и понижения плотности самой жидкости вследствие уменьшения пластового давления. Для оценки степени влияния указанных факторов на плотность пород воспользуемся известным уравнением, связывающим плотность а с минералогической плот­

влечет за собой изменение плотности пласта не более чем на 0,1 — •0,4%. Изменение плотности флюида на 30% (замещение газа водой) в зависимости от пористости пласта может привести к изме­ нению плотности пласта от 1% (при кп = 10%) до 4% (при кп = = 30%). Если изменение плотности флюида происходит только за счет уменьшения пластового давления, т. е. не связано с заме­ щением флюида, то при падении пластового давления на

100 кГ/см2 плотность флюида изменится не более чем на 1—2%. В этом случае изменение плотности пласта не превышает также 1—2%.

Как уже отмечалось выше, уменьшение пластового давления приводит к увеличению эффективного давления, вследствие чего происходит дополнительное уплотнение пласта и уменьшение пористости. При этом степень уплотнения пласта определяется не только величиной роста эффективного давления, но и на­ чальным соотношением геостагического и пластового давле­ ний.

Максимальное изменение пористости происходит при мини­ мальных значениях эффективного давлепия, т. е. когда геостатическое и пластовое давления по абсолютному значению близки, а коэффициент разгрузки п ^ 1. При больших величинах

песчаников с пористостью 24,5% в условиях всестороннего давле­ ния 500 кГ/см2 и пластового давления 490 кГ/см2 составляет 30% при уменьшении пластового давления на 100 кГ/см2. Изменение о в данном случае происходит в основном из-за разрушающих деформаций и переупаковки зерен. Такое изменение пористости, согласно уравнениям (97)—(98), приводит к увеличению плот­ ности на 5—6%, т. е. к величинам, соизмеримым с изменениями, -вызванными замещением флюида в порах породы.

Если учесть, что уменьшение пластового давления, с одной стороны, приводит к уменьшению пористости, т. е. к увеличению плотности пласта, а с другой — к уменьшению плотности флюида, то общее изменение плотности пласта будет определяться гео­ метрической суммой указанных изменений. В частности, для высокопористых слабосцементированных песчаников при замене нефти водой, падении пластового давления на 100 кГ/см2 и началь­ ном рэф = 50 кГ/см2 суммарное увеличение плотности достигает 10—12%. Таким образом, на плотность пласта при падении пла­ стового давления существенное влияние оказывает изменение не только плотности флюида, но и пористости пласта. Неучет этого' фактора может явиться причиной ошибочного истолкования наблюдаемых отклонений силы тяжести в процессе разработки нефтегазовых месторождений.

Рассмотренные выше эффекты оказывают также влияние на скорость распространения упругой продольной волны и удельное электрическое сопротивление. По аналогии с выражениями (90)