книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

Таким образом, феноменологическое описание результатов изменения осадочных пород при повышенных температурах указывает зависимость относительного из*менения скорости от минералогического состава породы, типа насыщающего флюида,, пористости и приложенного дифференциального давления.

Как отмечалось, под действием температуры изменяются не только физико-механические свойства составляющих породу фаз (твердой, жидкой и газообразной), но и структура породы. Наблю­ даемое уменьшение уР с ростом температуры, по-видимому, в ос­ новном является следствием изменения физико-механических характеристик отдельных фаз. В частности, для высокопористых песчаников, относительно малосцеменгированных, увеличение ско­ рости при температурах 40—70° С можно объяснить увеличением скорости распространения продольных воли в насыщающей пла­ стовой воде с повышением температуры. Однако здесь также не исключена возможность улучшения акустических контактов между зернами и увеличения площади контактов вследствие теплового расширения минералов.

Для нефтеиасыщенных пород изменение скорости продольных волн с возрастанием температуры легко объяснить, если учесть зависимость скорости волн в нефти от изменения давления и тем­ пературы. Известно, что для нефти повышение температуры приводит к резкому уменьшению вязкости. Если при температуре 20° С динамическая вязкость углеводородов парафинового ряда при молекулярном весе 200 равняется 4 спз, то при температурах 100 и 200° С она уменьшается, соответственно, до 0,7 и 0,25 спз. Сжимаемость нефти с уменьшением вязкости от 1,0 до 0,2 спз увеличивается от 120-10“ 6 до 300-10" 6 см2/яГ. Пользуясь этими данными, можно приближенно определить изменение ур в нефти с увеличением температуры. Расчеты показывают, что в указанных условиях скорость продольных волн в нефти с ростом температуры до 100 и 200° С с учетом изменения плотности может уменьшаться, соответственно, на 30 и 60%.

Причинами резкого падения ЬР в диапазоне температур 90— 150° С, по-видимому, являются: изменение физического состояния прочно связанной воды на поверхности твердой фазы, увеличение пластичности цементирующего вещества, приводящее к разруше­ нию структуры породы под действием постоянно действующего дифференциального давления, и в отдельных случаях, наоборот, потеря некоторыми минералами пластичности и приобретение хрупкости [73, 82]. Кроме того, с ростом температуры возможно выделение газовой компоненты, растворенной в жидкости, и раз­ рушение перегородок закрытых пор, заполненных погребенной водой. Указанные процессы могут быть также причиной резкого уменьшения VР в рассмотренном диапазоне температур. Следует отметить, что для многих образцов пород зависимость уР = / (Ь) имеет обратимый характер. В частности, для кварцевых песчани­ ков наблюдается независимо от цикла нагрева резкое понижение

до 80° С проводимость породы зависит от характера изменения рж от температуры. Дальнейшее повышение температуры приводит

куменьшению влажности, вследствие чего рп возрастает. Исследования Й. Козела [45], Д. Кемпбелла и Д. Хей-

ландера [98] указывают на различие зависимости проводимости осадочных пород от температуры и насыщающего флюида. Много­ образие причин, приводящих к этим различиям, не позволило авторам выделить роль отдельных факторов в рассматриваемом процессе для предварительной оценки возможных изменений рп от глубины залегания и учета этих изменений при интерпретации результатов геофизических исследований. Опыты Л. Б. Бермана и В. С. Неймана [18] показали полную идентичность изменения рп

на глинистых песчаниках, для которых, согласно природе про­ водимости глинистых коллекторов, температура должна играть большую роль.

Все указанные исследования, за исключением опытов на кол­

В последнем случае зависимость электрического сопротивления пород от температуры будет функцией влажности. В естественном залегании, при нагрузке на поровую жидкость, повышение тем­ пературы не вносит существенных изменений во влажность пород, т. е. количество флюида в порах породы остается постоянным.

Влияние температуры на относительное сопротивление глин приведено на рис. 45. Как видно, проводимость глин определяется как составом, так и температурой. Следовательно, глинистые породы в зависимости от типа глинистой компоненты должны характеризоваться различной проводимостью и зависимостью параметра пористости от температуры. Для пород с каолиновым составом глинистой фракции параметр пористости в интервале температуры до 150° С фактически должен оставаться неизменным, тогда как при монтмориллонитовом составе глинистой фракции должно быть уменьшение Рп от температуры.

Опубликованные данные о проводимости различных электро­ литов при температурах до 150—200° С имеют значительные рас­ хождения. Например, относительное изменение электрического сопротивления 2 н. раствора соли ]ЧаС1 при 150° С равно, по дан­ ным Е. А. Полякова [68], 0,305, а по материалам В. Н. Дахнова [34] — 0,2. При расчете относительного сопротивления пород такое различие приводит к расхождению в характере зави­ симости рп породы от температуры. По имеющимся сведениям трудно отдать предпочтение каким-либо из указанных данных. Однако, лзвиду более широкого диапазона температур и наличия сведений о давлениях при выяснении зависимости удельного сопротивления воды рв от температуры, в расчетах нами были использованы значения рп, полученные Е. А. Поляковым [68К

Сопоставление относительного изменения удельного электри­ ческого сопротивления различных пород под влиянием темпера­ туры с аналогичным изменением рв показывает существенное различие. Это особенно проявляется при высоких температурах (более 100—120° С) и зависит от литологического состава пород. С повышением температуры до 250° С удельное электрическое сопротивление породы уменьшается от 4 до 20 раз, а иногда и более (рис. 46). Значительная часть изменения сопротивления (—50%) падает на область температур от 20 до 50—60° С. При дальнейшем увеличении температуры градиент изменения уменьшается и в пре­ делах 100—250° С это изменение составляет всего 20—25%.

РП(28°С)

Рис. 45. Зависимость изменения относительного сопротивления (параметра пористости) коллекцион­ ных глин, насыщенных 4,5 н. раствором N301 от температуры. р е = 150 кГ/с.н3, р; = 100 кГ /с м 2 (по Л. П. Петрову [66]).

1 — каолин; 2 — каолин + гидрослюда; 3 — бентошггопая глина; 4 — монтмориллонит.

Максимальное уменьшение сопротивления характерно как для растворов низкой концентрации, так и для пород, насыщенных этими растворами. При одинаковой концентрации насыщающего раствора минимальное изменение удельного электрического сопро­ тивления от повышения температуры наблюдается для карбонат­ ных пород, максимальное — для песчано-глинистых разностей.

Как известно [44], удельное электрическое сопротивление породы можно выразить через параметр пористости Рп и темпера­ турный параметр Р(.

изменения Рг под влиянием температуры и относительной гли­ нистостью пород (рис. 47).

На основании значений Рг, приведенных в рис. 47, и уравне­

Для оценки влияния структурных изменений и состава породы на зависимость рп от температуры могут служить вычисленные

Рп(70°С)

Рис. 46. Относительное изменение удельного элек­ трического сопротивления под влиянием темпера­ туры осадочных пород, насыщенных 2 н. раство­ ром ИаСЬ

(параметр пористости). Изменения параметра пористости Рп для различных по составу осадочных пород, насыщенных растворами соли КаС1 разной концентрации, приведены на рис. 48. Верхний предел изменений параметра пористости для песчано-глинистых пород под влиянием температуры характерен для высокопористых разновидностей, а нижний для низкопористых пород с повышен­ ным содержанием глинистого материала. Параметр пористости высокопористых песчаников и алевролитов, насыщенных 2 н. раствором соли КаС1, при дифференциальном давлении ра = = 100 кГ/см2 фактически не изменяется с повышением темпера­ туры до 100° С. При увеличении дифференциального давления

от 100 до 1000 кГ/слг верхний предел температуры, при которой Р п остается неизменным, увеличивается до 150° С. Повышение температуры до 250^-280° С приводит к уменьшению параметра пористости не более чем на 8—10%. Для образцов, насыщенных 0,1 н. и 0,01 н. растворами, параметр пористости при тех же дифференциальных давлениях не изменяется в диапазоне темпе­

насыщающего флюида) параметр пористости Рп остается постоян­ ным. Более заметное понижение Р п, достигающее 50—60%, наблю­ дается в случае повышения температуры от 150 до 250° С.

Во всем диапазоне температуры, как и для высокопористых песчано-алевролитовых пород, наблюдается зависимость отно­ сительного изменения параметра пористости от температуры, как функции давления. С увеличением дифференциального давле­ ния относительное изменение Рп от влияния I уменьшается.

Для карбонатных пород, представленных известняками с гра­ нулярной пористостью от 12 до 16%, насыщенных 2 н. раствором соли КаС1, параметр пористости увеличивается в диапазоне тем­ ператур от 20 до 100—130° С, а при дальнейшем повышении тем­ пературы постепенно уменьшается. Степень увеличения Р п

с повышением температуры известняков также зависит от вели­ чины дифференциального давления и концентрации насыща­ ющего флюида. Увеличение параметра пористости с возрастанием температуры при р а = 100 кГ/см2 достигает 10%, тогда как при = 1000 кГ/см2 не превышает 2—4%. Кроме того, экстремум

РП (1 )

75----

П(20°С)

РП(20°С)

рпщ

РП(20°С)

давления сдвигает экстремум на кривых в область более высоких температур. Для известняков, насыщенных 0,01 н. раствором К аС 1,Рп при возрастании температуры в основном уменьшается. При низких значениях дифференциального давления изменение Р п под влиянием температуры больше, чем при высоких р а.

Таким образом, анализ экспериментальных исследований пород указывает на зависимость изменения р п при повышении темпера-

туры не только от их минералогического состава, но и типа (кон­ центрации) флюида, дифференциального давления и диапазона температур. Независимо от состава пород кривую изменения Рп с возрастанием температуры можно разбить на два участка. Пер­ вый участок в диапазоне температур 20—150° С, где параметр пористости остается постоянным или изменяется незначительно (примерно 5 —10%). Второй участок — при более высоких темпе­ ратурах (более 120—150° С); для всех пород характерно резкое изменение параметра пористости с последующим уменьшением градиента АР^А1 до нуля. Величина резкого уменьшения АРП/А1 и диапазон температур, в котором оно наблюдается, зависят от дифференциального давления и концентрации насыщающего раствора. Повышение давления уменьшает величину спада Р п под влиянием температуры и сдвигает указанный диапазон в сто­ рону более высоких температур.

Наблюдаемые изменения Р п при повышении температуры являются следствием совокупного воздействия различных по природе факторов: объемного теплового расширения минералов, изменения их пластичности и хрупкости, нарушения структуры двойного электрического слоя и т. п. Для известняков, характери­ зующихся наибольшими значениями коэффициента объемного теплового расширения, рост параметра пористости, по-видимому, объясняется уменьшением диаметра токопроводящих каналов в результате теплового расширения минералов. Одновременно рост температуры приводит к увеличению пластичности кальцита, что способствует дополнительному уплотнению известняков под действием постоянно действующего во время эксперимента диф­ ференциального давления.

Эксперименты на искусственных образцах, изготовленных из маршаллита и жидкого стекла, показывают увеличение пара­ метра пористости, начиная с температуры 90—110° С, которая соответствует переходу жидкого стекла в пластическое состояние. Аналогично для искусственных песчаников, сцементированных эпоксидной смолой при температурах выше 120—130° С, наблю­ дается рост параметра пористости [98]. Для песчано-глинистых пород наряду с указанными факторами, по-видимому, главную роль играют изменение сопротивления проводимости двойного электрического слоя и свободного раствора, изменение струк­ туры двойного слоя, или объемной доли этого слоя в капил­ ляре.

При изучении параметра пористости осадочных пород учет поверхностной проводимости осуществляется путем изучения зави­ симости Рп от концентрации насыщающего раствора. С уменьше­ нием концентрации раствора доля поверхностной проводимости увеличивается, в связи с чем значение Р п уменьшается. Исследо­ вание указанной зависимости в различных диапазонах температур (рис. 49) показывает весьма незначительную трансформацию кривых.

Как отмечалось, при высокой концентрации насыщающего

трации на 70—80%. Между тем, различие в значениях Рп в зави­

Сувеличением температуры растворимость газа в жидкости увеличивается, вследствие чего сопротивление флюида возрастает [12]. Исходя из этого, характер изменения параметра пористости пород, содержащих как жид­ кую, так и газовую фазы, должен быть близким к характеру изменения растворимости газа в жидкости при росте температуры.

Опыты, проведенные на образцах, частично насыщенных рас­ твором соли (с защемленным воздухом в порах породы), показали, что наличие газа в порах породы начинает сказываться на значе­ ниях Рп при температуре больше 100° С. В то время как Рп образца, полностью насыщенного раствором, при температуре 100° С и выше уменьшается, Рп недонасыщенного образца в ди­ апазоне температур 100—160° С остается почти неизменным, и увеличивается при более высоких температурах.