Фильтрационно-емкостные свойства и многие другие физические свойства терригенных пород коллекторов нефти и газа главным образом зависят от содержания в породе глинистых минералов, их состава, свойств и распределения в объеме породы. Изучение газопроницаемости пород коллекторов остается актуальной задачей, так как этот важный параметр используется для построения гидродинамических моделей залежи углеводородов. В настоящее время имеются интересные и основательные исследования газопроницаемости пород с глинистыми составляющими [1, 2]. Глинистые минералы – это сложные объекты, обладающие широкими вариациями изоморфных замещений, структурными дефектами и большим разнообразием политипных модификаций. Разновидности глинистых минералов с присущими им кристаллохимическими свойствами характерны для конкретного месторождения. Газопроницаемость пород с глинистой составляющей зависит от размера и укладки глинистых частиц в агрегаты между собой, а также от размера и распределения зерен основного компонента-кварца. Одним из лучших методов лабораторной оценки надежности и экранирующих свойств пород-покрышек является измерение их газопроницаемости [3].
Цель исследования – определить вид степенной зависимости между расходом газа и перепадом давления на композициях фракций зерен кварца и глинистых минералов: каолинита, монтмориллонита, хлорита, мусковита при определенном их содержании. Также провести исследования для смесей одинакового состава при хаотическом и слоистом распределении компонентов. Оценить, как будут различаться параметры фильтрации газа при хаотическом распределении компонентов и слоистом. Для ряда образцов с большим содержанием глинистых минералов определить истинную проницаемость с учетом скольжения газа при использовании графиков Клинкенберга.
Материалы и методы исследования
В данной работе используются искусственные образцы керна с заданным содержанием и размером частиц кварца и глинистых минералов, позволяющих установить изменение фильтрационных свойств при изменении перепада давления. Зерна кварца представляют собой частицы оваловидной или полигональной формы, имеющие разный размер по длинной и короткой оси. Под глинистостью пород понимают наличие в породе минералов размером менее 10 мкм. В этой фракции находятся частицы глинистых минералов (алюмосиликатов), кварц, полевой шпат, карбонаты, сульфаты. Размер частиц глин меняется от 0,1 до 4 мкм. Содержание глинистых минералов варьирует от 13 до 50 % в смеси. Проницаемость пород с глинистыми компонентами может зависеть от агрегатной текстуры компонентов. В исследовании образцы глинистых минералов были представлены диоктаэдрическим монтмориллонитом (Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg)₂(Si₄O₁₀)(OH)₂ * nH₂O, клинохлором Mg₅Al(AlSi₃O₁₀)(OH)₈, мусковитом KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH)₂, каолинитом. Зависимости между расходом газа и перепадом давления могут быть представлены линейным законом Дарси или нелинейными законами Форхгеймера и Барри-Конвея [4]. В данном исследовании определялись степенные связи Q = kc∆pn, где n может приНимать значение в пределах от 1 до 0,5 [5, 6], Q – расход газа, ∆p – перепад давления.
Исследования проводили с использованием установки «Дарсиметр».
Результаты исследования и их обсуждение
Исследование проведено в текущий год. Диапазон изменения проницаемости от самой максимальной к минимальной варьирует от 0,03 до 2,41. Минимальной проницаемостью обладают образцы кварца фракции 10 мкм, 20 мкм, cмеси кварца фракции 20 мкм и каолинита образцов № 21, 22. В работе рассчитывался коэффициент проницаемости и число Рейнольдса для образцов, заполненных частицами размером 63 мкм. Коэффициент проницаемости составил 2,8–3,1*10-12 м2. Число Рейнольдса по Щелкачеву варьировало от 3 до 8. Тогда как критическое значение числа Рейнольдса [6] изменяется от 1 до 12. Для данного размера частиц показатель числа Рейнольдса находится на границе, когда возможно использовать линейный закон Дарси с учетом определенной погрешности либо применять нелинейный закон. Cтепенной закон связи расхода газа от перепада давления имел вид 6*10-10x0,905. Для ряда изучаемых образцов с диаметром зерен 63, 75, 150, 250 мкм показатели степени зависимости расхода газа от перепада давления варьируют от 0,45 до 1,1. Это обусловлено как размером частиц основного компонента кварца, так и количеством глинистой составляющей и ее видом: каолинитом, монтмориллонитом, хлоритом-клинохлором и мусковитом. Для образца смеси кварца размером частиц 250–300 мкм и 13 % каолинита степенная зависимость имела вид 17,1x0,52. Показатель степени этой зависимости близок к показателю для образца кварца с таким же размером зерен без примеси каолинита [7]. C увеличением содержания каолинита с 13 до 30 % в смесях каолинита и кварца фракции 63 мкм показатель степени зависимости снижается от 0,82 до 0,25. Коэффициент проницаемости снижается от 0,38 до 0,1 Д. Далее исследовались смеси кварца фракции 63 мкм и монтмориллонита при его содержаниях: 13, 20, 30, 50 %. В смесях использовались две кристаллохимические разновидности монтмориллонита: монтмориллонит 1 и монтмориллонит 2. С увеличением содержания монтмориллонита 1 от 13 до 50 % показатель степенной зависимости снижается от 0,75 до 0,45, коэффициент пропорциональности kc уменьшается с 6,4 до 1,9, а коэффициент проницаемости снижается с 0,58 до 0,18 Д.
Таблица 1
Параметры фильтрационных зависимостей образцов, состоящих из смеси фракции кварца и глинистой компоненты
|
№ |
Описание смеси |
Q = kc(∆p) n |
Kоэффициент проницаемости k, м2 при P = 1 атм |
|
1 |
87 % 63 мкм кварца + 13 % каолинита |
4,2x0,74 |
0,38 |
|
2 |
87 % 63 мкм кварца + 13 % каолинита |
3,9x0,83 |
0,35 |
|
3 |
63 мкм кварц |
17,1x0,77 |
2,41 |
|
4 |
75 % 63 мкм кварц + 25 % каолинита |
1,84x0,49 |
0,16 |
|
5 |
70 % 63 мкм кварца + 30 % каолинита |
1,2x0,25 |
0,1 |
|
6 |
87 % 150 мкм кварца + 13 % каолинита |
5,9x1,09 |
0,86 |
|
7 |
87 % 250-300 мкм кварца + 13 % каолинита |
17,1x0,52 |
1,65 |
|
8 |
87 % 63 мкм кварца + 13 % монтмориллонита 1 |
6,4x0,75 |
0,58 |
|
9 |
87 % 63 мкм кварца + 13 % монтмориллонита 2 |
12,54x0,83 |
1,2 |
|
10 |
80 % 63 мкм кварц + 20 % монтмориллонит 2 |
4,2x0,8 |
0,42 |
|
11 |
70 % 63 мкм кварца + 30 % монтмориллонита |
3,4x0,67 |
0,31 |
|
12 |
Смесь 50 % кварца – 75 мкм + 50 % монтмориллонита 1 |
1,9x0,45 |
0,18 |
|
13 |
87 % кварца 75 мкм + 13 % клинохлора |
16,1x0,84 |
1,51 |
|
14 |
70 % кварца 75 мкм + 30 % клинохлора |
11,1x0,72 |
1,04 |
|
15 |
70 % 63 мкм кварц + 30 % доломита |
3,2x0,64 |
0,30 |
|
16 |
87 % 63 мкм кварца + 13 % доломита |
8,97x0,82 |
0,76 |
|
17 |
75 % мкм кварц + 25 % доломита |
3,89x1,033 |
0,37 |
|
18 |
100 % монтмориллонит |
0,91x-0,179 |
0,07 |
|
19 |
50 % каолинит +50 % 75 мкм кварц |
0,95x-0,179 |
0,1 |
|
20 |
25 %каолинит+75 % 75 мкм кварц |
1,27x0,0047 |
0,1 |
|
21 |
20 мкм кварц |
1,055x-0,088 |
0,03 |
|
22 |
10 мкм кварц |
1,01x-0,122 |
0,03 |
|
23 |
более 20 мкм кварц |
2,91X0,55 |
0,01 |
|
24 |
9 мкм АL2O3 |
0,957x-0,167 |
0,08 |
|
25 |
66 % 20 мкм кварц + 34 % каолинита |
0,98x-0,18 |
0,03 |
|
26 |
80 % кварца 40 мкм + 20 % каолинита |
1,04x-0,143 |
0,1 |
|
27 |
87 % кварца 40 мкм + 13 % каолинита |
1,4x0,175 |
0,11 |
Таблица 2
Параметры фильтрационных зависимостей образцов со слоистыми компонентами
|
№ |
Описание |
Q = kc(∆p) n |
Kоэффициент проницаемости, м2 при 1 атм |
|
28 |
Слой смеси (75 % 63 мкм кварца + 25 % монтмориллонита) и слой 35 % монтмориллонита |
1,35x0,13 |
0,13 |
|
29 |
Слой 34 % кварца 75 мкм и слой 66 % монтмориллонита – (толщиной 13 мм) |
1,77x0,33 |
0,16 |
|
30 |
Слой 65 % кварца75 мкм + слой 35 % кварца 5 мкм |
1,66x0,26 |
0,14 |
|
31 |
Состав тот же, что и в образце 30 – фракции 5 мкм и 75 мкм кварца перемешаны |
2,77x0,55 |
0,24 |
|
32 |
Слой смеси из 63 % кварца 63 мкм и 37 % каолинита и слой 10 % каолинита |
3,2x-0,74 |
0,44 |
|
33 |
Слой смеси (63 % кварца 63 мкм + 37 % каолинита) и слой 30 % каолинита |
1,01x-0,126 |
0,15 |
|
34 |
Cлой 75 % кварца75 мкм + слой 25 % мусковита |
3,79x0,75 |
0,34 |
|
35 |
Состав тот же, что в образце 34. Фракции кварца и мусковита перемешаны |
7,6x0,85 |
0,7 |
Таблица 3
Линейные зависимости, полученные при аппроксимации кривых Клинкенберга, и истинная проницаемость K
|
№ образца |
Линейная зависимость k = f(1/∆Pcр) |
K – истинная проницаемость |
|
Эталон корунда 5 мд |
0,63x+4,57 |
4,573 |
|
3 |
1,99x+0,33 |
0,328 |
|
5 |
0,55х+0,086 |
0,087 |
|
21 |
0,0232x+0,0368 |
0,368 |
|
22 |
0,022x+0,037 |
0,369 |
|
25 |
0,02x+0,038 |
0,038 |
В сравнении со смесью кварца и каолинита смесь с монтмориллонитом обладает большими значениями коэффициента проницаемости и пропорциональности – приближенно в 3 раза большими. В смесях кварца фракции 63 мкм с доломитом 13, 25, 30 % также наблюдается снижение величин коэффициента проницаемости и коэффициента пропорциональности. При увеличении содержания доломита показатель степени зависимости расхода газа от перепада давления снижается с 1 до 0,64. Изучалось влияние диаметра частиц кварца в смесях с одинаковым содержанием каолинита 13 %. При изменении диаметра зерен от 63 к 150 мкм и далее до 250 мкм коэффициент проницаемости повышается от 0,38 до 1,65 Д. Коэффициент пропорциональности kc в степенной зависимости Q = kcpn (табл. 1) повышается от 3,9 до 17,1. Для образца 1 определялась относительная погрешность коэффициента проницаемости, которая составила не более 10 % для семи повторных исследований. Далее были проведены опыты на образцах со значительной долей глинистой компоненты. Для образцов, представленных 100 % содержанием монтмориллонита – образец 18 и смесью 50 % каолинита и кварца 75 мкм – образец 19 коэффициенты пропорциональности kc близки соответственно 0,95 и 0,91, коэффициенты проницаемости 0,07 и 0,1 Д имеют низкие значения. Показатель степени в зависимости расхода газа от перепада давления для обоих образцов имеет значение -0,179. Близкие значения коэффициента пропорциональности и показателя степени имеет образец 25 смеси кварца фракции 20 мкм и каолинита. Для образцов кварца 10 и 20 мкм показатель степени в зависимости имеет значение -0,122 и -0,088, а коэффициент пропорциональности 1,05 и 1,01 при коэффициенте проницаемости 0,03 Д. Далее проводились исследования по определению проницаемости в образцах имеющих двухслойное строение с прослоем тонкодисперсного материала – каолинита, монтмориллонита, гидрослюды, тонкодисперсного кварца и слоя кварца фракций 63–75 мкм. Так, образец 32 состоит из двух слоев: из каолинитового толщиной 6 мм и слоя смеси кварца фракции 63 мкм и каолинита. В образце 33 каолинитовый слой имеет толщину в 3 раза большую, чем слой в образце 32. Поэтому коэффициенты пропорциональности и проницаемости образца 33 в 3 раза меньше, чем для образца 32, а показатель степени изменяется от -0,74 до -0,126. Образцы 34 и 35 представлены одинаковым составом веществ 25 % мусковита и кварцем. В образце 35 эти составляющие равномерно перемешаны, а в образце 34 имеются два слоя – с чистым кварцем и с мусковитом. Коэффициент проницаемости и пропорциональности образца 34 со слоистым расположением веществ в 2 раза ниже, чем для образца 35. В образцах 28 и 29 имеются прослои с монтмориллонитом, и в образце 29 этот слой в 2 раза больше, чем в 28 образце. Слой в 29 образце состоит из чистого кварца, а в 28 образце в слое кварца присутствует 25 % монтмориллонита. Коэффициенты пропорциональности и проницаемости для 28 образца на 25 % меньше, чем для образца 29. В образцах 30 и 31 содержатся две фракции кварца размером частиц 5 мкм при содержании 35 % и фракция кварца 75 мкм. Однако в образце 31 обе фракции равномерно распределены друг относительно друга, а в образце 30 имеются два отдельных слоя, состоящих из фракции 5 мкм и фракции 75 мкм. Коэффициенты пропорциональности и проницаемости образца 31 с хаотическим распределением фракций в 1,7 раза больше, чем для образца 30 со слоистым распределением фракций. Показатель степени в зависимости расхода газа от перепада давления в образце 31 больше, чем в образце 30, в 2,1 раза. Для ряда образцов с большой долей глинистого вещества находилась истинная проницаемость по графикам Клинкенберга [7]. Графики Клинкенберга – это зависимости кажущейся проницаемости от обратной величины среднего давления (табл. 3). Полученные значения истинной проницаемости сопоставимы c данными, полученными при перепаде давления 1 атм.
Заключение
Изучена газопроницаемость композитных смесей, состоящих из фракции кварца 63, 75, 150, 300 мкм и глинистых минералов. С увеличением содержания глинистых минералов в смеси с кварцем фильтрационные параметры: коэффициенты проницаемости, пропорциональности и показатель степени – снижаются в зависимости от перепада давления. В частности, для смесей каолинита с кварцем возрастание содержания каолинита в 3 раза приводит к такому же снижению коэффициентов проницаемости и пропорциональности. Коэффициенты проницаемости и пропорциональности в смесях для кварца и монтмориллонита ориентировочно в 2 раза выше, чем для смесей каолинита и кварца. Для образцов смесей хлорита и кварца коэффициенты проницаемости и пропорциональности ориентировочно в 4 раза выше, чем для смесей каолинита и кварца. Данные фильтрационные показатели получены для конкретных глинистых минералов в данном исследовании. C увеличением размера зерен кварца в определенное число раз в смеси с каолинитом приближенно увеличиваются во столько же раз коэффициенты пропорциональности и проницаемости. Показатель степени для последних зависимостей расхода газа от перепада давления снижается. Опыты на образцах одинакового состава разных фракций с хаотическим и слоистым распределением частиц показали, что в образцах со слоистым расположением коэффициенты пропорциональности и проницаемости приближенно в 2 раза меньше, чем для хаотического. По ряду образцов с большой долей глин определены истинные коэффициенты проницаемости.