Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT2
по петрофизике
Тема: Удельное электрическое сопротивление терригенных осадочных пород, параметры УЭС (Р, Рп, Рн), уравнение Арчи-Дахнова. Влияние температуры и давления на петрофизические зависимости параметров УЭС
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ТЕПЛОВЫЕ ПОЛЯ И ТКПЛОВЫЕ ПОТОКИ В НЕДРАХ ПЛАНЕТЫ 4
1.1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК 4
1.2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 8
1.3. ТЕПЛОВЫЕ ПОЛЯ В ГАЗАНОСНЫХ И НЕФТЕНЫХ ПЛАСТАХ 13
1.4. ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОТЬ
КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ 16
2. ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 18
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В СКВАЖИНЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ТЕРМОГРАММ 18
2.2. ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26
ВВЕДЕНИЕ
Целью курсового проекта является изучение удельного электрического сопротивления терригенных осадочных горных пород для решения различных промыслово-геофизических задач.
Поиск, разведка и рациональная разработка месторождений нефти и газа непосредственно связаны с изучением физических и коллекторских свойств горных пород и содержащихся в них флюидов.
В процессе бурения поисковых и разведочных скважин по нефтегазосодержащим и перспективным на нефть и газ отложениям необходимо проводить сплошной отбор керна, количество которого должно обеспечить выявление изменчивости литологии и физических свойств коллекторов, а также надежную интерпретацию материалов промыслово-геофизических исследований. Образцы пород для лабораторного исследования должны быть отобраны через каждые 0,5 м мощности продуктивной части выдержанного пласта и через 0,25-0,3 м невыдержанного пласта.
На этапе поискового бурения выполняют исследования, позволяющие судить о модели коллектора, его литологии, коллекторских свойствах и свойствах флюидов в порах породы, устанавливают связи, позволяющие качественно интерпретировать данные ГИС.
На этапе разведочного бурения проводят исследования, позволяющие получить зависимости, необходимые для интерпретации данных ГИС с целью количественной оценки запасов нефти и газа. Для этого незаменимым оказывается измерение удельного электрического сопротивления частично и полностью водонасыщенных образцов, поскольку данное свойство тесно связано с важнейшим количественным показателем содержания углеводородного сырья в породе - ее пористостью.
Поэтому изучение УЭС на керне является актуальным для интерпретации геофизических методов исследования скважин.
Цель проекта будет реализована через решение следующих задач.
1. ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ
В ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ
1.1. Электрическое сопротивление вещества
Атомы химических элементов характеризуются величиной электрического заряда, но в свободном состоянии являются электрически нейтральными, поскольку суммарный отрицательный заряд электронов скомпенсирован равным по величине положительным зарядом протонов ядра. Электрический ток возникает под действием внешнего электрического поля или других факторов вследствие движения электронов внешней электронной оболочки, что обусловливает периодичность изменения величины сопротивления и характера проводимости.
Электрическое сопротивление вещества характеризует его способность препятствовать прохождению электрического тока. Процесс электропроводности сводится к движению (дрейфу, миграции) носителей зарядов (ионов, электронов, дырок) в направлении соответствующих электродов, при помощи которых в рассматриваемое вещество вводится ток.
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) определяется как сопротивление (отношение падения протекающего тока) единицы объема (1 м3) при пропускании тока через этот объем от одной грани к противоположной.
Удельное электрическое сопротивление и обратная ему величина - удельная проводимость - достаточно полно исследованы в лабораториях для разных веществ, в том числе и слагающих литосферу. Все вещества условно делятся на проводники, то есть хорошо проводящие электрический ток, и диэлектрики, то есть непроводящие. Есть и промежуточные классы электрической проводимости. В таблице 1.1 приведена классификация минералов, наиболее распространенных в земной коре.
Таблица 1.1 Электрическое сопротивление наиболее
распространенных в земной коре минералов
|
Минерал |
Химическая формула |
УЭС, Ом м |
Тип кристаллохимических связей |
|
Проводники, ρ<10-6 |
|||
|
Железо |
Fe |
(9-12) 10-8 |
металлическая |
|
Никель |
Ni |
(6-7) 10-8 |
металлическая |
|
Медь |
Cu |
1.610-8 |
металлическая |
|
Серебро |
Ag |
1.510-8 |
металлическая |
|
Платина |
Pt |
9.810-8 |
металлическая |
|
Ртуть |
Hg |
9510-8 |
металлическая |
|
Золото |
Au |
210-8 |
металлическая |
|
Висмут |
Bi |
(12-14) 10-8 |
металлическая |
|
Полупроводники с повышенной электропроводностью, 10-6<ρ<102 |
|||
|
Касситерит |
SnO2 |
10-3 - 104 |
ионно-ковалентная |
|
Куприт |
Cu2O |
10-1 - 100 |
ионно-ковалентная |
|
Ильменит |
FeTiO2 |
10-3 - 100 |
ионно-ковалентная |
|
Титаномагнетит |
Fe (Fe3+, Ti) 2O4 |
10-4 - 100 |
ионно-ковалентная |
|
Уранинит |
UO2 |
10-2 - 101 |
ионно-ковалентная |
|
Гематит |
α-Fe2O3 |
10-1 - 102 |
ионно-ковалентная |
|
Графит |
С |
10-4 - 100 |
ковалентно-металлическая |
|
Пирит |
FeS2 |
10-5 - 100 |
ковалентно-металлическая |
|
Галенит |
PbS |
10-5 - 100 |
ковалентно-металлическая |
|
Сфалерит |
ZnS |
10 - 104 |
ковалентно-металлическая |
|
Халькопирит |
CuFeS2 |
10-4 - 10-1 |
ковалентно-металлическая |
|
Пирротин |
FeS |
10-6 - 10-4 |
ковалентно-металлическая |
|
Арсенопирит |
FeAsS |
10-5 - 10-1 |
ковалентно-металлическая |
|
Ковелин |
CuS |
10-5 - 10-1 |
ковалентно-металлическая |
|
Борнит |
Cu2FeS4 |
10-5 - 10-1 |
ковалентно-металлическая |
|
Магнетит |
Fe3O4 |
10-5 - 10-2 |
ковалентно-металлическая |
|
Хромит |
(Fe,Mg) (Cr,Al,Fe) 2O4 |
3101 |
ковалентно-металлическая |
|
Пиролюзит |
MnO2 |
10-3 - 101 |
ковалентно-металлическая |
|
Полупроводники с пониженной электропроводностью, 102<ρ<108 |
|||
|
Шеелит |
CaWO4 |
106 - 108 |
ионная |
|
Антимонит |
Sb2S3 |
104 - 106 |
ионно-ковалентная |
|
Шпинель |
MgAl2O4 |
104 - 106 |
ионно-ковалентная |
|
Рутил |
TiO2 |
4102 |
ионно-ковалентная |
|
Молибденит |
MoS2 |
103 - 102 |
ковалентная |
|
Лимонит |
FeOOH+FeOOH*nH2O |
102 - 106 |
ионно-ковалентная |
|
Касситерит |
SnO2 |
10-3 - 104 |
ионно-ковалентная |
|
Сфалерит |
ZnS |
101 - 104 |
ковалентно-металлическая |
|
Киноварь |
HgS |
106 - 1010 |
ковалентно-металлическая |
|
Диэлектрики, ρ>108 |
|||
|
Флюорит |
CaF2 |
1014 - 1015 |
ионная |
|
Галит |
NaCl |
1014 - 1018 |
ионная |
|
Сильвин |
KI |
109 - 1015 |
ионная |
|
Кальцит |
CaCO3 |
109 - 1014 |
ионная |
|
Доломит |
CaMg (CO3) 2 |
107 - 1016 |
ионная |
|
Арагонит |
CaCO3 |
107 - 1014 |
ионная |
|
Кварц |
SiO2 |
1012 - 1016 |
ионно-ковалентная |
|
Корунд |
Al2O3 |
1014 - 1015 |
ионно-ковалентная |
|
Сера |
S |
1012 - 1015 |
ковалентная |
|
Ортоклаз |
K [AlSi3O8] |
1010 - 1014 |
ковалентная |
|
Анортит |
Ca [AlSi3O8] |
1010 - 1014 |
ковалентная |
|
Биотит |
K [AlSi3O8] |
1012 - 1015 |
ковалентная |
|
Роговая обманка |
NaCa2 [Al2Si6O22] |
108 - 1014 |
ковалентная |
|
Актинолит |
Ca2Mg3 (OH) [Si8O22] |
108 - 1014 |
ковалентная |
|
Хлориты |
- // - // - // - // - |
109 - 1012 |
ковалентная |
|
Эпидот |
Ca2 (Fe, Al3O (OH) [SiO4] [Si2O7] |
109 - 1014 |
ковалентная |
|
Авгит |
(Ca,Mg,Fe) [ (Al,Si) 2O6] |
109 - 1014 |
ковалентная |
|
Оливин |
(Mg,Fe) 3SiO4 |
108 - 1010 |
ковалентная |
|
Киноварь |
HgS |
106 - 1010 |
ковалентно-металлическая |
Горные породы, сложенные различными комбинациями минералов, в разном объемном содержании, в разных конфигурациях, обладают уникальными свойствами электрической проводимости и сопротивления.
Любая геофизика может применяться там, где разные части разреза отличаются по свойствам. При зондировании свойства должны отличаться по вертикали, т.е. некие горизонтальные слои будут различны, а при профилировании свойства должны изменяться по горизонтали, т.е. какие-то вертикальные тела. Но в любом случае нужно знать истинное сопротивление пород.
1.2. Терригенные осадочные горные породы
По происхождению все горные породы делятся на три группы: магматические (эффузивные и интрузивные), осадочные и метаморфические.
Магматические и метаморфические породы слагают около 90 % объема земной коры, однако на земной поверхности господствуют осадочные горные породы, занимающие 75 % площади. Осадочные горные породы формируются в термодинамических условиях, характерных для земной поверхности, и представляют собой последовательное переотложение продуктов механического (терригенные), химического (хемогенные) разрушения материнских горных пород либо продуктов жизнедеятельности живых организмов (биогенные). Именно осадочные горные породы, как правило, содержат нефтяные, газовые, угольные и многие рудные месторождения.
В группу терригенных осадочных входят все породы, состоящие из обломков, которые образуются при разрушении горных пород. Обломки переносятся водой или ветром, накапливаются в водоёмах и других естественных «ловушках» (т.е. тех местах, где они могут остановиться), образуя обломочные, или терригенные, осадки. Крупные глыбы и валуны часто остаются у подножия разрушающейся скалы. Они оторваны от материнской породы и, значит, также являются терригенными. В этом случае перенос обломков происходит под действием силы тяжести.
Самая распространённая терригенная порода на Земле — песчаник, который образуется из терригенного осадка — песка. Как бы долго ветер и вода ни перемещали песчинки, в конце концов все зёрна находят себе спокойное убежище и начинают превращаться в осадочную породу. Подобными убежищами могут служить болота, лагуны, озёра, моря — любые места, где ничто не тревожит эти зёрна. Песчинки могут спрятаться под более молодыми осадками, застрять в вязком иле, захорониться в углублениях дна. Как только движение зёрен прекращается, поры между ними начинают заполняться любым материалом, который приносит вода в твёрдом или растворённом состоянии. Это могут быть глинистые частицы, химические соединения, выпадающие в осадок из воды, живые организмы весьма малых размеров. Весь этот материал скрепляет зёрна и поэтому называется цементом. Иногда цемент образуется из самих зёрен: края обломков растворяются, растворённые компоненты скапливаются в порах и снова кристаллизуются в виде цемента. Особенно часто это происходит с кальцитом (карбонатом кальция).
Химический состав осадка довольно часто меняется, пока все его компоненты не приспособятся друг к другу. То вода принесёт избыток солей, то какое-нибудь зерно начинает разрушаться, выпуская на свободу химические элементы, то лежащий выше или ниже слой начнёт освобождаться от каких-нибудь компонентов. Немалую роль в этой природной химической лаборатории играют и органические остатки, попавшие в осадок. Они начинают гнить, поглощая кислород и выделяя углекислый газ. А углекислый газ тут же ищет кальций, иногда «выхватывая» его прямо из зёрен. Жизнь осадочной породы — это постоянное приспособление к меняющимся условиям: только частицы, наконец, притёрлись друг к другу, даже слиплись (сцементировались илом или солями), как происходят новые перемены — черви переворошили весь осадок, что-то съели, а что-то извергли, сверху лёг новый слой осадка, и изменилось давление. Причины могут быть разными, а результат один — снова породе необходимо приспосабливаться к другим условиям, до стадии перерождения породы в класс метаморфических. Современный разрез осадочных горных пород формировался на протяжении 2-2,5 миллиардов лет, и продолжает формироваться в настоящее время, претерпевая изменение пород по всей глубине вплоть до кристаллического фундамента.
Новая общность частиц стремится к равновесию как внутри самой себя, так и с окружающей средой. Этот процесс бесконечен. Даже в сцементированной горной породе, где соседствуют зёрна разных составов, непрерывно идут процессы разрушения одних минералов и создания других, лучше приспособленных к существованию в новых условиях. По мере накопления сверху молодых осадочных слоев более древние породы погружаются всё глубже. На глубине их ожидают совсем иные условия: и температура выше, и давление больше. Здесь многие минералы исчезают, вместо них образуются другие, более стойкие; осадочная порода перерождается, превращаясь в метаморфическую. Если в результате движений земной коры эта метаморфическая порода выйдет на поверхность, внешние силы вновь возьмутся за её разрушение до осадка и опять будут создавать осадочную породу.
Особое внимание в петрофизике уделяется глинам - осадочным терригенным породам с микроскопическим размером зерен. Если представить себе частичку меньше 10 мкм — это и будет размер глинистого минерала. Собираясь вместе, эти крохотные минералы и образуют горную породу — глину. Будучи не очень прочно сцепленными друг с другом, они легко отрываются и создают пыль. Поскольку частички чрезвычайно малы, расстояния между ними (которые называются порами) также невелики, и вода не может пройти через глину, как через песок. Она задерживается между глинистыми частичками, связывает их, и теперь это уже не пыль, а чавкающая грязь. Частички в обводнённой глине крепче сцеплены друг с другом, чем в сухой. Когда глинистые частицы, слагающие породу, попадут под давление слоев, лежащих выше, они лучше «притрутся» друг к другу, прочно сцепятся, и получится плотная и крепкая глинистая порода — аргиллит. Аргиллит не боится воды, потому что она не может пройти между сцепившимися минералами, а ветер не способен вырвать из породы отдельные частички и поднять их в виде пыли. Аргиллит легко расколоть молотком на тонкие плитки.
Глинистые минералы относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов. Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием. Частицы глинистых минералов имеют преимущественно пластинчатую форму, однако встречаются также частицы в виде полосок, трубочек, иголочек.
Высокая физико-химическая активность глинистых минералов обусловлена не только малым размером, но и особенностями их кристаллического строения. В основе кристаллической структуры глинистых минералов лежит контакт тетраэдрических и октаэдрических элементов. Первый элемент образован кремнекислородными тетраэдрами, состоящими из атома кремния и четырех окружающих его атомов кислорода. Отдельные тетраэдры, соединяясь друг с другом, создают непрерывную двухмерную тетраэдрическую сетку.
Другим структурным элементом глинистых минералов является октаэдр, образованный шестью атомами кислорода или гидроксильными группами. В центре октаэдра может располагаться атом алюминия, железа или магния. Отдельные октаэдры, соединяясь, образуют двухмерную октаэдрическую сетку. Благодаря близости размеров тетраэдрические и октаэдрические сетки легко совмещаются друг с другом с образованием единого гетерогенного слоя. Связь между гетерогенными слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и его заряда. У некоторых глинистых минералов она достаточно прочна и обеспечивается взаимодействием атомов кислорода и гидроксильных групп (водородная связь) или катионами, располагающимися в межслоевом пространстве (ионно-электростатическая связь). У других минералов связь между слоями менее прочная и обусловлена молекулярными силами.
В первом случае глинистые минералы имеют более жесткую кристаллическую структуру, то есть такую, когда молекулы воды и обменные катионы не могут проникать в межслоевое пространство кристалла. У минералов с жесткой кристаллической структурой (каолинит, гидрослюда, хлорит) внутрикристаллическое набухание (расширение межслоевого расстояния при взаимодействии с молекулами воды) отсутствует. Во втором случае глинистые минералы (монтмориллонит, нонтронит) имеют раздвижную кристаллическую структуру. При гидратации таких минералов молекулы воды и обменные катионы могут проникать в межслоевое пространство и существенно увеличивать межслоевое расстояние, обусловливая этим большое внутрикристаллическое набухание.
Помимо описанных глинистых минералов в природе также широко распространены так называемые смешанослойные минералы, образующиеся в результате упорядоченного или неупорядоченного чередования набухающих и ненабухающих структурных слоев (монтмориллонит-гидрослюда, монтмориллонит-хлорит). По своим свойствам смешанослойные глинистые минералы занимают промежуточное положение между минералами с жесткой и раздвижной кристаллическими структурами.
Глинистые минералы обладают ярко выраженными ионно-обменными свойствами, что совместно с малым размером частиц и высокой удельной поверхностью (суммарной площадью поверхности частиц в единице массы породы) определяет их повышенную адсорбционную способность. Это замечательное свойство позволяет использовать глины как природные высокоэффективные сорбенты для защиты почв, грунтов и подземных вод от техногенных загрязнений.
Чрезвычайно важным моментом при взаимодействии частиц глинистых минералов с водой является формирование вокруг их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС). Внутренняя часть ДЭС образована отрицательно заряженной поверхностью глинистой частицы, а внешняя состоит из адсорбционного и диффузного слоев гидратированных катионов. Структура ДЭС во многом зависит от pH и концентрации солей раствора, в котором он формируется. Из-за кристаллохимических особенностей строения глинистых минералов при изменении pH раствора наблюдается перезарядка торцевых участков глинистых частиц. Подобный эффект связан с амфотерными свойствами бокового скола октаэдрической сетки, который ведет себя подобно гидроокиси алюминия. В кислой среде скол октаэдрической сетки диссоциируется по щелочному типу, в щелочной среде скол диссоциирует по кислому типу. В результате этого процесса боковой скол глинистой частицы в кислой и нейтральной средах заряжается положительно, а в щелочной - отрицательно. Изменение заряда на торцевых участках глинистых частиц приводит к формированию в щелочных условиях одноименно заряженных, а в кислых и нейтральных знакопеременных ДЭС.
Толщина диффузного слоя зависит от состава и концентрации солей в водном растворе, окружающем частицы глинистых минералов. Она максимальна при отсутствии солей и резко сокращается по мере увеличения их концентрации. Подобное поведение ДЭС в различных физико-химических условиях является одним из главных факторов, регулирующих процессы структурообразования в глинистых осадках, и оно оказывает сильное влияние на формирование свойств глинистых пород в ходе их геологического развития.
1.3 Электропроводимость в осадочных горных породах
Итак, осадочные горные породы состоят из породообразующих минералов и пустот (пор), заполненных водой, нефтью, газом или смесью этих флюидов. Большинство породообразующих минералов - кальцит, кварц, полевые шпаты, слюда - имеют очень большое сопротивление и практически не проводят электрического тока. Примесь в осадочной породе высокопроводящих рудных минералов (пирита, магнетита и др.) при содержании меньшем 5%, оказывает небольшое влияние на удельное сопротивление породы.
Осадочные горные породы, слагающие разрезы нефтяных и газовых месторождений, как правило, содержат менее 5 % рассеянных зерен рудных минералов. Однако, несмотря на весьма высокое сопротивление породообразующих минералов, удельное сопротивление различных осадочных пород в естественном залегании изменяется в широком диапазоне - от десятых долей Ом-метра до сотен тысяч (рис. 1.1).
Рис. 1.1. УЭС горных пород (по В.Н. Дахнову)
Нефть, заполняющая пустоты породы, также обладает очень высоким сопротивлением (109 - 1016 Ом м). Роль проводника при прохождении электрического тока через осадочные породы играет пластовая вода, содержащая растворенные соли. Размер удельного сопротивления породы в каждом отдельно взятом случае зависит от удельного сопротивления насыщающих поры породы пластовых вод; процентного содержания водных растворов и углеводородов в порах породы; текстурных особенностей породы; горного давления и температуры на глубине залегания. Удельное сопротивление пластовых вод, в свою очередь, зависит от концентрации, состава растворенных солей и температуры.
2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНОЙ ПОРОДЕ
Физическое моделирование широко применяется в геологии и геофизике при изучении физических процессов, происходящих в горных породах. В петрофизике физическое моделирование осуществляют на образцах горных пород, отобранных в скважинах - керне. С помощью образцов моделируют процессы фильтрации флюидов, электромагнитные, тепловые, диффузные, ядерные, акустические и другие природные процессы. В некоторых случаях создают модели самих горных пород (искусственные образцы), на которых выполняют в последующем моделировании указанных процессов.
Кроме самих физических процессов, иногда моделируют термобарические условия, в которых протекают эти процессы. Для этой цели используют специальные установки, позволяющие моделировать температуру залегания горных пород, геостатическое и пластовое давление.
Проведение физического моделирования в петрофизике связано с большими трудностями:
1. Нарушение геометрического подобия натурного объекта и модели. Объем породы, исследуемый в лаборатории, не соответствует ее объему в природных условиях залегания, который изучается геофизическими методами в скважинных вариантах и особенно методами полевой (наземной) геофизики.
2. Изолированность модели. В природных условиях, в отличие от лабораторных, исследуемый объект занимает определенное пространственное положение среди других пород с иными литологическими и петрофизическими характеристиками, и находится с ними в физико-химическом и термодинамическом равновесии.
3. Несоответствие внутренней структуры пород первоначальной. При изменении температуры и давления от пластовых к поверхностным в образцах горной породы происходят ее изменения, связанные с дополнительной трещиноватостью, усыханием и растрескиванием глинистого материала, изменением порового объема породы за счет обратимых и необратимых деформаций ее скелета и т.д.
Математическое моделирование, часто используемое в петрофизике, позволяет изучать явления природы с помощью математических моделей, описывающих приближенно какой-либо их класс.
Процесс математического моделирования включает 4 этапа:
1. Формулирование законов, связывающих главные элементы модели, и запись в математической форме зависимостей между ними;
2. Решение прямой задачи - получение количественной информации;
3. Решение обратной задачи - определение характеристик модели и сопоставление выходной информации с результатами эксперимента;
4. Последующий анализ модели и построение новой, более совершенной математической модели.
По характеру воспроизводимых сторон объекта исследования различают моделирование его структуры (структурные модели), моделирование функционирования протекающих в нем процессов (функциональные модели) или же моделирование совместно структуры и физико-химических процессов объекта (смешанные модели).
2.1. Физическая модель горной породы
Для измерения удельного электрического сопротивления образцов пород и пластовых вод применяются установки с двух- и четырехэлектродными компенсационными измерительными схемами. Первые характеризуются высокой производительностью и относительной простотой измерения, преимущество вторых - в исключении переходных сопротивлений на токовых измерительных электродах. Четырехэлектродная компенсационная схема (рис. 1.2) является универсальной и может быть применена для измерения сопротивления полностью и частично водонасыщенных образцов. Преимуществом четырехэлектродной схемы является применение компенсационного способа измерений разности потенциалов на измерительных электродах. Двухэлектродная схема не может применяться для измерения частично водонасыщенных образцов из-за сложности учета контактных сопротивлений на границе образец - электрод.
Существует большое число двух- и четырехэлектродных установок компенсационного и некомпенсационного типа. Из четырехэлектродных установок некомпенсационного типа наиболее широкое распространение получила установка, приведенная на рис. 1.3, б).
Методика работы на четырехэлектродной установке состоит в следующем. Образец породы правильной геометрической формы помещают в кернодержатель. Включают питание. По падению напряжения на эталонном сопротивлении устанавливают ток через шунт и образец в пределах 0,1-10 мА. Затем измеряют падение наряжения на контактах МN образца. Зная ток, протекающий через образец, и падение напряжения, рассчитывают сопротивление участка MN образца.
а) б)
|
1 - звуковой генератор ГЗ-33; 2 - миллиамперметр; 3 - эталонное сопротивление; 4 - кернодержатель с образцом; 5 - цифровой вольтметр В7-16 |
1 - источник тока; 2 - преобразователь тока; 3 - магазин сопротивлений Р-33; 4 - кернодержатель с образцом; 5 - эталонное сопротивление; 6 - мост постоянного тока Р-37/1; 7 - гальванометр М-195/3 |
Рис. 1.2. Схема четырехэлектродной установки для измерения удельного электрического сопротивления некомпенсационным (а)
и компенсационным (б) способом
Удельное электрическое сопротивление рассчитывают по формуле
=Rs / L,
где - удельное электрическое сопротивление; s - площадь поперечного сечения образца; L - длина участка MN.
Для эффективного использования измерительных установок необходимо подбирать оптимальные условия измерений, частоту и питающий ток, способы надежного контакта электрода с образцом, материал электродов и т.д. Частота и плотность тока, протекающего через образец, определяются условиями, необходимыми для снижения до минимумов эффектов поляризации, электрического разложения электродов и породы, разогрева образца, электролиза на электродах.
Конструкция кернодержателя при измерении УЭС законсервированных образцов или образцов, отобранных при бурении на безводной основе, должна позволять перфорировать поверхностный слой породы на глубину 1-2 мм. Это требование обусловлено тем, что поверхностный слой образца оказывается пропитанным непроводящей промывочной жидкостью. В конструкциях кернодержателей для этих целей применяют, как правило, игольчатые электроды, позволяющие получить более надежный контакт с проводящей средой.
Подготовка образцов для измерений начинается с отбора представительной коллекции, которая должна включать наиболее типичные образцы изучаемого коллектора, а также вмещающих пород-неколлекторов (покрышек), охватывать весь диапазон пористости пород исследуемого геологического региона. Из образцов, отобранных для исследований, изготавливают цилиндры или кубы (для изучения анизотропии) с тщательно зафксированной длиной и площадью поперечного сечения. В процессе обработки образцов не должно возникать растрескивания, образования раковин и выбоин.
Перед измерением УЭС образцы экстрагируют от остаточной нефти, отмывают от солей и высушивают при 1050С до постоянной массы. Затем насыщают образец под вакуумом раствором заданной минерализации. До момента измерения образцы должны храниться в насыщенном растворе в плотно закрытой емкости для исключения процессов испарения и связанного с этим изменения минерализации раствора. Перед измерением образец извлекается из раствора, обтирается с боковой поверхности влажной фильтровальной бумагой до получения матовой поверхности (для исключения поверхностной проводимости) и помещается в кернодержатель.
Устанавливается необходимый ток (0,1-10 мА) и измеряется падение напряжения на измерительных электродах MN и шунте. Сопротивление образца рассчитывается из соотношения (при постоянном токе через шунт и образец)
Uэт/Rэт = Uобр/Rобр.
По приведенной ранее формуле рассчитывается удельное электрическое сопротивление.
Для дальнейших расчетов и обоснований геофизических параметров Рп и Рн необходимо также в данном эксперименте измерить удельное электрическое сопротивление насыщеющей жидкости. Его измеряют специальным прибором - резистивиметром.
Погрешности измерений связаны с особенностями измерительной ячейки и обычно составляют около 5-7 %.
2.2. Математическая модель горной породы
Горная порода рассматривается как физико-химическая термодинамическая гетерогенная система, которая характеризуется следующими признаками:
1. Назначение компонентов и фаз горной породы, т.е. их роль в различных физико-химических процессов.
2. Геометрические особенности компонентов и фаз всей системы в целом.
3. Состояние внутренней структуры породы - характер пространствен-ного распределения компонентов и фаз.
4. Физико-химические особенности компонентов - минеральный состав, количественные характеристики сред.
Горную породу следует рассматривать при моделировании, как систему с распределенными параметрами, состояние которой определяется функциями нескольких переменных, зависящих от времени и пространственных координат. Математически системы с распределенными параметрами описываются с помощью дифференциальных уравнений в частных производных с определенными краевыми условиями.
Система, моделирующая горную породу, в общем случае состоит из твердой фазы, жидкой фазы и газообразной фазы. Между отдельными фазами системы протекают химические реакции, процессы растворения и кристаллизации.
На поверхностях раздела объемных фаз могут возникать промежуточные фазы или поверхностные слои, характеризующиеся аномальными физико-химическими свойствами. Эти слои образуются в результате взаимодействия отдельных компонентов горной породы.
Твердая фаза терригенной горной породы состоит из частиц различного минерального состава и размера. К ней относится матрица (скелет) и цемент породы. Минеральный состав и количество цемента определяют сорбционные свойства горной породы и играют важную роль при формировании поверхностных водных слоев. Твердая фаза характеризуется структурой и текстурой. Структура терригенных пород определяется размером минеральных частиц, слагающих породу (крупно-, средне-, мелкозернистая) и их окатанностью.
С другой стороны, обломочная горная порода представляет собой пористую среду, которая содержит то или иное количество пор. Поры имеют малые размеры по сравнению с объемом пласта или образца породы. Поры всегда заполнены жидкой, газообразной или твердой фазами.
В качестве жидкой фазы в горной породе могут присутствовать разнообразные водные растворы различных химических соединений (пластовые воды), углеводороды (нефть) и сжиженные газы. Все они являются в общем случае многокомпонентными веществами.
Газообразная фаза, представленная обычно углеводородами предельного ряда, находится в гидрофильных породах в непосредственном контакте и взаимодействии с остаточной водой, в гидрофобных - с твердыми минеральными частицами.
Поверхностные фазы образуются на поверхностях раздела минеральная частица - пластовая вода, пластовая вода - углеводород, минеральная частица - углеводород. Поверхностная фаза являет собой адсорбционный моно- и полимолекулярный водный и углеводородный слой, имеющий аномальные механические и физико-химические свойства по сравнению с их свойствами в объеме. Толщина поверхностного слоя много меньше толщины порового капилляра.
Установлено, что электропроводность водоносных и нефтегазоносных пород, содержащих глинистый материал и пластовую воду малой минерализации, определяется проводимостью именно поверхностных слоев.
Частный случай поверхностной фазы - пленка, характеризующаяся относительно малыми размерами в направлении перпендикулярном поверхности раздела фаз. Пленка по сравнению с поверхностным слоем обладает рядом специфических особенностей: она имеет большую толщину, содержит однородную область и компоненты, отсутствующие в окружающих объемных фазах. Особый интерес представляют пленки связанной воды на поверхности твердых минеральных гидрофильных частиц. Связанная вода, как выяснилось, в виде пленки толщиной менее 1 мкм обладает повышенной плотностью, в несколько раз увеличенной вязкостью, аномальной электропроводностью и пониженной диэлектрической проницаемостью, а также увеличенной теплопроводностью. Таким образом, при анализе электрических, диффузных, тепловых и других процессов в горных породах необходимо принимать во внимание изменение удельных свойств поверхностных слоев по их толщине. Это имеет важное значение при петрофизическом моделировании и в конечном итоге при интерпретации геофизических аномалий.
Глинистые частицы вследствие своих особых свойств при взаимодействии с водой также рассматриваются как самостоятельная однокомпонентная фаза.
Горные породы, залегая на определенной глубине, находятся в определенных термодинамических условиях и по отношению к окружающим телам являются системами открытыми, способными обмениваться с окружающей средой веществом, теплотой и т.д.
Таким образом, терригенный нефтегазоносный пласт в петрофизике рассматривается как пятифазная многокомпонентная термодинамическая система. УЭС горной породы определяется как сложная суперпозиция свойств фаз и компонентов, слагающих породу, учитывающая множество факторов, влияющих на каждую фазу.
3. ВЗАИМОСВЯЗЬ УЭС ГОРНОЙ ПОРОДЫ
С ДРУГИМИ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
На величину УЭС горных пород преобладающее влияние оказывают следующие факторы:
- пористость (структура породы);
- анизотропия (текстура породы);
- влагонасыщенность;
- удельное электрическое сопротивление пластовой воды, присутствующей в породе;
- глинистость;
- термобарические условия залегания породы.
2.2.1. Пористость
Пористость - совокупность пустот (пор), заключенных в горных породах. Количественно пористость горных пород выражается отношением объема всех порк общему объему горных пород, выражается в долях единицы или в процентах и называется коэффициентом пористости.
Поскольку проводником электрического тока в большинстве осадочных пород является пластовая вода, а породообразующие минералы не проводят электрического тока, удельное сопротивление зависит не только от минерализации пластовых вод, но и от их объема, или при 100 % насыщении пластовой водой - от величины коэффициента пористости пород.
Чем выше коэффициент пористости породы, тем больше в ней содержится проводящего ток флюида и тем ниже ее удельное сопротивление. При изучении зависимости удельного сопротивления от коэффициента пористости пород для исключения влияния минерализации пластовых вод обычно пользуются относительным сопротивлением, которое при 100 % насыщении породы пластовой водой называется параметром пористости,
Рп = вп/в,
где Рп - параметр пористости; вп - удельное сопротивление породы при 100 % ее насыщении пластовой водой, Омм; в - удельное сопротивление пластовой воды, Омм.
Исследования показывают, что для большинства осадочных горных пород связь сопротивления с величиной пористости выражается эмпирической формулой (Дахнова-Арчи)
Рп = amkп-m,
где kп - коэффициент пористости породы; amи m - постоянные для определенной группы пород коэффициенты, зависящие от конфигурации токопроводящих путей в породе (степени цементации породы).
По В.Н. Дахнову, коэффициенты amи m для осадочных пород могут иметь следующие значения: am= 10,8; m=1,32,3. С усложнением структуры порового пространства m растет, а наклон псевдопрямой Рп=f(kп), построенной в двойном логарифмическом масштабе, увеличивается по отношению к оси абсцисс (рис. 2.1).
В случае, когда отсутствуют экспериментальные зависимости, полученные при изучении образцов из исследуемых отложений, рекомендуется использовать кривые, приведенные на рис. 2.1, для оценки коэффициента пористости по данным сопротивления.
2.2.2. Давление и температура
Зависимости Рп=f(kп) чаще всего строят на основании экспериментального изучения образцов керна породы в атмосферных условиях. Горные породы в естественном залегании испытывают действие высоких давлений и температур.
Изменение физических свойств сцементированных осадочных горных пород, наблюдаемое без разрушения механических связей в скелете породы (например, при выносе керна из скважины на поверхность), обусловлено главным образом объемными деформациями порового пространства и породообразующих материалов. Величины этих объемных деформаций зависят от среднего нормального напряжения или всестороннего давления (аналог геостатического давления) , порового давления р и температуры t на глубине залегания породы.
Рис. 2.1. Зависимость параметра пористости от коэффициента пористости в зависимости от параметра m.
1 - пески; 2 - слабосцементированные песчаники; 3 - среднесцементированные песчаники; 4 - ракушечные и глинистые известняки; 5 - известняки и доломиты крупнокристаллические средней уплотненности; 6 - известняки и доломиты плотные и тонкокристаллические.
При деформации породы, насыщенной жидкостью, давление жидкости в порах р противодействует всестороннему давлению на скелет. Поэтому за деформацию породы главным образом отвечает разность между давлениями и р, которая называется эффективным напряжением или эффективным давлением:
- р = ghi(п i-в i),
где g - ускорение свободного падения, hi - мощность i-го литологически однородного интервала разреза, имеющего плотность п i;в i - плотность жидкости (воды), насыщающей поры породы в этом же интервале.
Под действием эффективного давления коэффициент пористости уменьшается, а удельное электрическое сопротивление возрастает. Эти обстоятельства способствуют увеличению наклона кривых. на рис. 2.2 изображены экспериментальные кривые, иллюстрирующие влияние всестороннего сжатия на вид кривой Рп=f(kп).
Рис. 2.2. Зависимость параметра пористости от коэффициента пористости при различном эффективном напряжении в условиях p=const, t=const (для среднесцементированных кварцевых песчаников и алевролитов).
Шифр кривых - эффективное давление ( - р), МПа
Зависимость УЭС горной породы от температуры в первом приближении проста: повышение температуры ведет увеличению подвижности ионов электролита, содержащегося в порах и следовательно к уменьшению сопротивления.
Кроме того, экспериментально доказано, что в глинистых породах с увеличением температуры возникает дополнительная проводимость двойного электрического слоя, что также вносит вклад в снижение удельного электрического сопротивления.
Но сами частицы горной породы с увеличением температуры испытывают тепловое расширение, вследствие чего уменьшается ее пористость и объемное содержание жидкости, проводящей ток, что ведет, наоборот, к увеличению удельного электрического сопротивления породы.
Чтобы точно учесть влияние изменения температуры от поверхностных условий к пластовым, необходимо использовать разработанные на опытных данных палетки для введения поправок на все вышеназванные физические явления.
Неучет влияния пластовых условий при построении эталонной кривой Рп=f(kп) может привести к систематической погрешности при определении коэффициента пористости по геофизическим данным.
2.2.3. Содержание глинистого материала
На удельное сопротивление глинистых песчаников, помимо минерализации пластовой воды, температуры и давлений, оказывает влияние поверхностная проводимость, обусловленная адсорбционной способностью тонкодисперсной глинистой фракции.
Эта дополнительная проводимость снижает удельное сопротивление глинистых пород. Особенно заметным становится влияние поверхностной проводимости при насыщении глинистой породы пресной или опресненной водой. В этих условиях величина параметра пористости одной и той же породы изменяется в зависимости от минерализации насыщающего электролита. Для оценки роли поверхностной проводимости вводят в рассмотрение коэффициент поверхностной проводимости П:
П = Рп/Рп нас,
где Рп - параметр пористости породы, содержащей низкоминерализованную воду; Рп нас - параметр пористости породы, содержащей насыщенный раствор электролита ("истинный" параметр пористости). Коэффициент поверхностной проводимости П зависит от удельного сопротивления поровых вод и глинистости породы (рис. 2.3).
Для чистых пород П=1, а для глинистых всегда П<1. Отличие от единицы тем больше, чем больше в породе глинистого материала, его активность и ниже концентрация Св насыщающего раствора. Влияние глинистости на П обусловлено тем, что в тонких поровых каналах, пронизывающих массу глинистого материала, Рп является функцией удельного электрического сопротивления свободного раствора, аномального слоя воды на поверхности твердой фазы, слоя рыхло связанных ионов и относительного содержания последний в общем объеме порового канала.
Таким образом, удельное сопротивление водонасыщенной породы можно выразить через параметр пористости Рп, коэффициент поверхностной проводимости П и удельное сопротивление поровой воды в:
в п = ПРпв.
2.2.4. Насыщение породы
В нефтеносных и газоносных пластах поровое пространство содержит нефть и газ. Нефть и газ не являются проводниками тока. Заполняя поры горных пород, они увеличивают их удельное сопротивление по сравнению с сопротивлением пород, полностью насыщенных пластовой водой. Проводником электрического тока в таких случаях служит минерализованная пластовая вода. Количеством этой воды и характером ее распределения в порах и определяется удельное сопротивление нефтеносных и газоносных пород.
Рис. 2.3. Зависимость коэффициента поверхностной проводимости от УЭС поровых вод в и глинистости пород.
Шифр кривых - Сгл, %
При изучении влияния нефтегазонасыщения удобно вместо удельного сопротивления породы рассматривать отношение удельного сопротивления нефтеносного пласта (н) или газоносного пласта (г) к удельному сопротивлению того же пласта (вп) при 100%-ном заполнении пор пластовой водой. Это отношение называется параметром насыщения порового пространства, или коэффициентом увеличения сопротивления и обозначается: Рн = н /вп; Рг = г /вп. Для нефте-, газоносного пласта это отношение показывает, во сколько раз нефть и газ увеличивают сопротивление водоносного пласта. Они оказывают примерно одинаковое влияние на удельное сопротивление пород. Экспериментальными исследованиями установлена зависимость между коэффициентом водонасыщения породы и параметром насыщения Рн или Рг:
Рн = aп / kв-n = aп / (1-kн)-n,
где kв = (1-kн) или kн = (1-kв) - соответственно коэффициенты нефтенасыщения и газонасыщения; aп и n - постоянные для данного типа отложений коэффициенты.
На рис. 2.4 (б) представлены зависимости, полученные при изучении параметра насыщения глинистых и песчаных коллекторов. Значение показателя степени n снижается с увеличением глинистости коллектора до n = 1,5. В гидрофобных нефтеносных коллекторах величина n может достичь 10. Из рассмотрения кривых, изображенных на рис. 2.4, следует, что удельное сопротивление нефтеносных пород заметно отличается от удельного сопротивления тех же водоносных пород лишь при сравнительно высоких (более 30-50%) коэффициентах нефте- или газонасыщения.
Рис. 2.4. Зависимость параметра пористости насыщения Рн от коэффициента водонасыщенности пород
2.2.5. Анизотропия
Осадочные породы, в первую очередь терригенные, нередко обладают микрослоистостью. Микрослоистость образована чередованием тончайших прослоев песчаников или алевролитов с различной глинистостью, песчаников и глины, алевролитов и глины и т.д. Причем толщина прослоев h=1-5 мм значительно меньше стандартных размеров образцов, используемых в практике петрофизических исследований. Удельное сопротивление слоистых пород зависит от направления, в котором оно измеряется. Такие породы называются электрически анизотропными. Обычно в слоистых породах удельное сопротивление, определенное перпендикулярно наслоения n, выше измеренного по напластованию .
Другой пример анизотропной среды - трещинный коллектор. В этом случае чередующимися средами являются слои блоков с межзерновой пористостью и трещины.
Степень анизотропии слоистых терригенных пород характеризуется коэффициентом анизотропии , вычисленным по формуле
= n/.
Численные значения коэффициентов анизотропии для некоторых горных пород приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Значения коэффициента анизотропии l и отношений rn / rt для некоторых осадочных пород (по В.Н. Дахнову).
|
Порода |
l |
rn / rt |
|
Глина слабослоистая |
1.02 - 1.05 |
1.04 - 1.10 |
|
Глина с прослоями песка |
1.05 - 1.15 |
1.10 - 1.32 |
|
Песчаник слоистый |
1.10 - 1.29 |
1.20 - 1.65 |
|
Сланцевая глина |
1.10 - 1.59 |
1.20 - 2.50 |
|
Глинистый сланец |
1.41 - 2.25 |
2.0 - 5.0 |
|
Каменный уголь |
1.73 - 2.55 |
3.0 - 6.50 |
|
Антрацит |
2.0 - 2.55 |
4.0 - 6.50 |
|
Графитовые и угольные сланцы |
2.0 - 2.75 |
4.0 - 7.50 |
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Знание УЭС горной породы является незаменимым при решении прямой и обратной задач геофизики.
По величинам УЭС, измеренным в лаборатории на керне, зная пористость исследуемых образцов, вводя необходимые поправки, обосновывают константы уравнения Дахнова-Арчи. В дальнейшем при проведении электрического каротажа в скважинах уравнение Дахнова-Арчи используют для оценки истинного коэффициента пористости вскрытых пород.
Таким образом, имея представительную выборку образцов, взятых из скважины (точечная информация), можно совершить переход к количественной оценке пористости и насыщенности непрерывно по всему разрезу скважины (но в пределах изученных терригенных пород).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте была рассмотрена основная характеристика осадочных терригенных горных пород - удельное электрическое сопротивление. Крайне важно оценить истинное удельное сопротивление горной породы в пластовых условиях для решения различных промыслово-геофизических задач. Было выяснено что они основаны на регистрации стационарных электрических полей.
Были раскрыты особенности терригенных осадочных пород, влияние их структуры и текстуры на удельное электрическое сопротивление. Терригенные породы - это, в основном, песчаники и глины. Песчаники обладают высокой пористостью и их удельное электрическое сопротивление зависит от флюида, которым они насыщены. Глины - особая разновидность горных пород, электрические свойства в глинах связаны в основном с высоким содержанием остаточной воды, связанной с частицами электростатическими силами.
Лабораторные исследования удельного электрического сопротивления необходимы для обоснования параметров уравнений Дахнова-Арчи, четко определяющих связь параметров пористости и насыщения с количественными характеристиками - коэффициентом пористости и нефтегазонасыщенности, необходимыми для подсчета запасов углеводородного сырья.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Резванов Р.А., Африкян А.Н. Геофизические исследования скважин. М., "Нефть и газ", 2010 г.
2. Орлов Л.И., Карпов Е.Н., Топорков В.Г. Петрофизические исследования коллекторов нефти и газа. М., "Недра", 2007 г.
3. Дахнов В.Н. Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин. – М., "Недра", 1972 г.
4. Леонтьев Е.И. Моделирование в петрофизике. М., "Недра", 2008 г.
5. Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика (физика горных пород). М., "Нефть и газ", 2011 г.