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

Таблица 2

Параметры фильтрационных зависимостей образцов со слоистыми компонентами

Таблица 3

Линейные зависимости, полученные при аппроксимации кривых Клинкенберга, и истинная проницаемость K

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.