книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

на их плотности. Следовательно, для каждого конкретного геоло­ гического региона необходимо знать указанные параметры (мощ­ ность, плотность). В случае отсутствия этих данных можно поль­ зоваться средним значением плотности осадочных пород (табл. 1). Средние значения сг-пород рассчитаны по данным М. Л. Озерской

[61]для воздушно-сухих пород с учетом их средней пористости

и100%-ной влагонасыщенности. При составлении табл. 1 общее число образцов превышало 30 000. Среднее значение плотности влагонасыщенных осадочных пород для территории СССР

равняется 2,47 г/см3. Следовательно, с учеличением глубины

При расчете средней плотности нами не учитывалась распро­ страненность пород на территории СССР. Несмотря на это полу­ ченное значение с достаточной степенью точности может быть использовано для оценки геостатического давления при отсутст­ вии сведений о плотности, мощности и литологическом составе отложений района исследований.

Значения пластового давления для некоторых нефтегазонос­ ных месторождений мира приведены на рис. 1. Здесь же показано гидростатическое давление, соответствующее разным глубинам. Как видно, на малых глубинах значения пластового давления близки к гидростатическому давлению. На больших глубинах различие между ними увеличивается. Однако в первом прибли­ жении, исключая пласты с «аномально)) высокими пластовыми давлениями, наблюдаемую зависимость условно можно экстраполи­ ровать на большие глубины и для расчета воспользоваться зна­ чениями гидростатического давления.

Температура в верхних слоях земной коры так же, как и давле­ ние повышается с возрастанием глубины. Увеличение температуры на 1° С в среднем для песчано-глинистых пород соответствует изменению глубины на 30 м. Однако для одного и того же района

результаты исследований показывают изменчивость геотермиче­ ской ступени для различных стратиграфических и гидрогеологи­ ческих комплексов (табл. 2). Обычно наименьшее значение гео­ термической ступени соответствует отложениям с высоким тепло­ вым сопротивлением (глины). На участках, сложенных породами с низкими значениями теплового сопротивления, геотермическая ступень повышается.

Рпл.кГ/СМ2

Рис. 1, Значения иластового давления и тем­ пературы в нефтегазоносных нластах на раз­ личных глубинах.

1 — температура в пласте; 2 — пластовое давлсице;

3 — пределы изменения температуры; 4 — среднее зна­ чение температуры; 5—изменение температуры с глу­ биной, рассчитанной, по среднему геотермическому

градиецту; 6 — гидростатическое давление.

Температура продуктивных пластов некоторых нефтегазонос­ ных месторождений мира приведена на рис. 1. Здесь же в зависи­ мости от глубины залегания пластов дана соответствующая этим глубинам температура, рассчитанная по среднему значению гео­

Как видно, температура в нефтегазоносных пластах превышает температуру, рассчитанную на основании среднего геотермиче­ ского градиента. Поэтому, при лабораторном исследовании пород из нефтегазоносных пластов, следует базироваться на средних значениях температуры, согласно рис. 1.

Таким образом, при экспериментальных исследованиях, про­ водимых с целью выявления характера изменения физических

2.ПРИНЦИПЫ И НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ РАЗРАБОТКИ УСТАНОВОК ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Как указывалось ранее, осадочные горные породы в естествен­ ном залегании подвержены одновременно действию трех основных факторов: давления вышележащих пород, возрастающей темпе­ ратуры и давления на жидкость, заполняющую поры породы. Существенное влияние на физические параметры оказывает также тип флюида, насыщающего породу. Поэтому, при изучении физи­ ческих свойств осадочных горных пород в лабораторных усло­ виях с целью выявления закономерностей изменения их физиче­ ских параметров с глубиной залегания, или при определении значений параметров в заданных условиях залегания необходимо предусмотреть в установке возможность одновременного воздей­ ствия трех указанных факторов. Кроме того, в установке необхо­ димо предусмотреть возможность изучения свойств пород в раз­ ных термодинамических условиях при насыщении их различными флюидами. При этом исследование влияния типа флюида на свой­ ства пород в разных термодинамических условиях зачастую надо проводить путем замены флюида в порах породы непосред­ ственно в указанных условиях.

Лабораторная установка должна иметь конструкцию, обеспе­ чивающую одновременное комплексное измерение различных свойств пород. Это условие вытекает как по методическим сообра­ жениям — ограниченности выноса керна из глубоких скважин, возникновения после измерения одного из параметров остаточных деформаций в образце, — так и для глубокого понимания причин изменения того или другого свойства пород под действием давле­ ния и температуры.

Осадочные горные породы на территории СССР залегают на глубинах до 10—15 км. В этих условиях, учитывая среднюю плотность осадочных пород, геостатическое давление может дости­ гать 2500—3500 кГ/см2, пластовое давление — 1000—1500 кГ1см2 и температура — 300—400° С. Следовательно, при разработке установок для изучения физических свойств осадочных горных пород можно ограничиться указанными пределами давления и температуры. Мы здесь не рассматриваем тектонические давления, которые могут доходить до нескольких сот тысяч килограмм-силы на квадратный сантиметр; разработка установок, обеспечива­ ющих исследование пород в этих условиях, представляет самог стоятельную задачу. Нами также не обсуждаются специфические технические условия конструирования установок высокого давле­ ния и температуры, изложение которых можно найти в специаль­

а) создание внешнего (всестороннего) давления до 2500— 3500 кГ(см2 или осевого давления и бокового обжатия в пределах

и температуры; д) одновременное измерение нескольких физических парамет­

ров; е) измерение различных параметров в случае насыщения

пород флюидами; ж) замещение поровой жидкости другим флюидом при различ­

ных термодинамических условиях.

3. УСТАНОВКИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Рассмотрим некоторые установки, имеющиеся в геолого-гео­ физических организациях СССР и за рубежом, предназначенные для исследования физических параметров осадочных горных пород в условиях повышенных давлений и температур.

личной конструкции для определения физических свойств гор­ ных пород в различных термодинамических условиях. Однако, несмотря па ряд положительных качеств этих установок, многие из них не удовлетворяют рассмотренным выше условиям. На ряде установок исследования можно проводить только в зависимости от всестороннего или осевого давления. Кроме того, на некоторых установках возможно измерять только один физический параметр. Несмотря на эти ограничения, указанные установки обеспечили проведение многих ценных исследований и они могут успешно применяться для решения некоторых задач, например, изучения влияния давления па породы, лишенные влаги,, оценки изменения свойств «закрытых» систем и т. д.

Существующие установки можно разделить по следующим характеристикам: создаваемое напряженное состояние исследуе­ мого образца; наличие устройств контроля за поровым давлением; способ нагрева образца; комплекс определяемых физических параметров.

По создаваемому напряженному состоянию образца сущест­ вуют следующие установки.

1. Аппаратура (наиболее простая) с осуществлением одноос­ ного — одностороннего — давления (рис. 2, а). Образец горной породы 2 устанавливается на неподвижном траверсе пресса 1

иподвергается одностороннему сжатию давлением на торец об­ разца. Измерительные датчики 3 укрепляются между образцом

итраверсами пресса, или же на боковых поверхностях образца.

В этих установках зависимость физических параметров от давле­ ния может исследоваться до величин, составляющих 50% от раз­ рушающего напряжения.

2. Специальные камеры высокого давления для исследования при всестороннем давлении (рис. 2, 6). Камера (сосуд) 1 высокого давления представляет толстостенный цилиндр с одним или двумя затворами 4. Всестороннее давление на образец породы 2 соз­

в камере, передается только на боковую поверхность образца. Путем регулировки бокового и осевого давления можно получить

сгороннего давления. Установка (рис. 2, г) состоит из пуансона 4, матрицы 3 и двух поддерживающих деталей. Образец 1 устанавли­ вается в матрицу и изолируется пластическим веществом 2. Давление пуансона передается одновременно на образец и изоли­ рующее вещество, вследствие чего создается неравномерное трех­ осное сжатие.

Величина норового давления в установках, рассмотренных выше (рис. 2), не контролируется. Однако под воздействием внеш­ него давления поровый объем породы уменьшается, что приводит

к увеличению давления на флюид породы, препятствующий воз­ действию внешнего давления. Отсутствие сведений о норовом давлении не позволяет оценить истинное значение дифференциаль­ ного давления. В установках, где обеспечивается контроль давле­ ния на внутрипоровую жидкость, обычно' имеется возможность регулировать поровое давление и определять дифференциальное давление, действующее на породу.

Установки, где предусмотрено измерение порового давления и контроль за его изменением, отличаются от приведенных выше тем, что в затворЪ камеры или в поршне осевого давления имеются специальные каналы, соединенные с помощью капиллярных тру­ бок с перфорированными насадками. Последние устанавливаются на торцах образца и используются одновременно для определения изменения пористости и проницаемости последнего.

Влияние температуры одновременно с воздействием давления в установках осуществляется двумя способами — внешним и внутренним электронагревом. Целесообразность применимости того или другого способа определяется необходимым диапазоном температуры, мощностью источников напряжения, временем на­ грева, видом проводимого исследования и др. Опыт работ на уста­

давления в камерах с малым внутренним объемом целесообразнее: применять внешний обогрев. Для более высоких температур при наличии надежных конструкций электровводов высокого напря­ жения в камерах с большим объемом следует применять внутрен­ ний обогрев. При этом уменьшается время для достижения равно­ весия температуры во всей системе и снижается требование к мощ­ ности источников напряжения.

Установки высокого давления и температуры различаются также по комплексу измеряемых на них параметров. В практику геофизических исследований все больше внедряются комплекс­ ные методы разведки, сочетающие такие методы, как сейсмические, электрические, гравиметрические, магнитометрические и др. Ком­ плексная интерпретация результатов разведки требует также знания различных физических параметров для одних и тех же пород в аналогичных условиях. Это возможно лишь в том случае,, когда исследования разных параметров в установках высокого давления и температуры проводятся одновременно на одном об­ разце. При рассмотрении методики измерения физических пара­ метров будет показано, что измерение отдельных свойств при раз­ личных циклах нагрузки нецелесообразно, поскольку начальное состояние образца при этом отличается из-за возникающих остаточ­ ных деформаций. Исследование комплекса параметров на различ­

Большинство известных установок позволяют измерять один параметр горных пород. В некоторых установках, где предусмот­ рено измерение порового давления, наряду с удельным электри­ ческим сопротивлением регистрируется также изменение пори­ стости.

Рассмотрим некоторые из применяемых установок.

Для проведения исследований при квазивсестороннем давле­ нии до нескольких десятков тысяч килограмм-силы на квадратный сантиметр в институте Физики Земли АН СССР под руководством М. П. Воларовича [21, 63] была изготовлена установка, позволя­ ющая измерять упругие и электрические свойства при давлении

до 40 000 и температуре 700° С. Схема установки анало­ гична той, что приведена на .рис, 2, г. Нагрев осуществляется с помощью электропечи, внутри которой помещена установка.

Для одновременного воздействия внешнего и внутреннего (пластового) давления на исследуемую породу Д. А. Антоновым [15], Л. И. Орловым и Р. С. Гимаевым [62], а также Л. М. Марморштейном с сотрудниками [51] были разработаны различные установки, схематически приведенные на рис. 3 —5.

Одна из первых установок для изучения физических парамет­ ров осадочных пород (сжимаемости) под воздействием порового давления была разработана Д. А. Антоновым [15] и в дальней­ шем усовершенствована Е. М. Выгодским и В. В. Девликамовым [27]. Установка состоит из двух камер (рис. 3): внешней 1 и вну­ тренней 2. В крышке внешней камеры смонтированы клеммы, карман для термометра, ниппеля и сальники, через которые про­ ходят микрометрические винты 8. Во внутреннюю камеру 2 помещается пьезометрический сосуд 3 с исследуемым образцом 5

в свинцовой или алюминиевой оболочке 4. К сосуду при помощи: трубок 6 присоединяются цилиндры, в которых свободно переме­ щаются поршни 7 При этом исследуемый образец крепится: к крышке пьезометрического сосуда (стакана) таким образом, чтоноровое пространство образца сообщается с полостью цилиндра 6. Такая конструкция пьезометра позволяет регулировать давление как на внешней поверхности образца, так и внутри порового пространства. Давление измеряется с помощью манометров 10. Изменение объема жидкости и образца регистрируется путем измерения смещения поршней 7 с помощью микрометрических, винтов. Индикатором смещения поршней 9 служит электрическая цепь.

Установка Антонова позволяет определить сжимаемость жидко­ сти, порового объема, твердой фазы и объема образца породы в пре­ делах 0—200 кГ/см2.

Более простая схема установки для моделирования бокового обжатия и внутреннего давления при измерении электрического сопротивления пород была применена М. И. Орловым и Р. С. Гимаевым [62]. Образец, помещенный в резиновую манжету, распо­ лагается в стальной обойме. С торцов образец закрывается двумя втулками, закрепленными в обойме болтами. Между втулкой и: образцом установлен латунный электрод, который соединяется с измерительной схемой. Вторым электродом служит втулка. Горное давление моделируется боковым обжатием образца через; манжету, внешняя полость которой соединяется с прессом. Для. воспроизведения пластового давления жидкость поступает в поры образца через канал, просверленный в центре втулки. Внешнее: обжатие и норовое давление производятся автономно с помощыа двух прессов. На описанной установке исследования проводи­ лись при внешнем обжатии до 400 кГ/см2 и поровом давлении до 150 кГ/см2.

Л. М. Марморштейном с сотрудниками [51] была разработана установка, на которой электрическое сопротивление пород в сложнонапряжеином состоянии измеряется при одновременном воздействии внешнего (бокового или всестороннего) давления, одноосного сжатия и пластового (порового) давления. Кроме того, на установке можно измерять изменение проницаемости и пористости пород при различных соотношениях внешнего и: осевого давления с регистрацией линейной деформации образца.

Давильный патрон (рис. 4) состоит из камеры высокого давле­ ния 1 для создания бокового или всестороннего давления до 800— 1000 кГ/см2 и устройства для создания осевого давления. Послед­ нее состоит из цилиндра 7, поршней 4,6 и подшипника 2. Образец. 3 устанавливается между подпятником и поршнем 4 , которые одновременно служат в качестве электродов для измерения элект­ рического сопротивления. В связи с этим они изолированы стекло­ пластиковой и текстолитовой втулками 9 и 11. В подпятнике и: поршне 4 имеются каналы 5 и 10 для входа и выхода жидкости

пли для создания порового давления. Давильный патрон снабжен индикатором часового типа 5, обеспечивающим измерение осевой деформации исследуемого образца.

Коллектив сотрудников кафедры промысловой геофизики Мос­ ковского института нефтехимической и газовой промышленности (МИНХ и ГП) под руководством В. Н. Дахнова и В. М. Добры­

фициентов сжимаемости и пористости, физической и фазовой проницаемости. Для изучения диффузионно-адсорбционной актив­ ности и потенциалов фильтрации применяются специальные поршни с наконечниками-изоляторами, в которых закреплены черненные платиновые электроды. Стержень внутри корпуса поршня имеет каналы для промывания образцов и вывода плати­

и температуры предназначены для измерения одного физического параметра при высоких всесторонних давлениях (до 400 кГ/см-) без порового давления или же при одновременном воздействии р е и р С1 но при низких их значениях (до 400—600 кГ/см2). Исклю­ чением являются установка МИНХ и ГП, разработанная в 1966— 1967 гг. Между тем, при анализе влияния термодинамических