книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах
..pdfТаким 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
уР в диапазоне температур 70—100° С. Естественно, что в данном случае природа наблюдаемых скачков, носящих обра тимый характер, не связана с разрушающими деформациями.
Если в первом приближении пренебречь влиянием состава пород на различие изменения ур по д воздействием температуры, т. е. оценить среднее значение влияния температуры на скорость в водонасыщенных породах, то для практических расчетов при низких дифференциальных давлениях можно воспользоваться
приведенными в |
табл. 20 |
средними |
значениями |
зависимости |
|||
Рр = / |
(*)• |
|
|
|
|
Та бл и ца 20 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Среднее значение относительного уменьшения скорости |
|
|||||
|
продольных |
волн в осадочных водонасыщенных породах |
|
||||
|
|
при повышении температуры |
|
|
|||
*, |
°с |
50 |
75 |
100 |
125 |
150 |
200 |
|
|
1,5 |
2,0 |
4,0 |
6,5 |
8,5 |
10,0 |
Большой практический интерес представляет различие в зна чениях скорости упругих волн в однотипных породах, насыщен ных водой и нефтью при высоких температурах. Среднее значение относительных изменений скорости под влиянием температуры для известняков и алевролитов, насыщенных 2 н. раствором КаС1 и нефтью, приведены в табл. 21. Как видно, с увеличением темпе ратуры при постоянном дифференциальном давлении различие
Т а б л и ц а 21
Относительное уменьшение скорости продольных волн Дрр /*/р (в %) при повышении температуры для водо-‘ н нефтенасыщенных пород
Порода |
|
V л |
Насыщающий |
|
1, |
°С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
раствор |
50 |
100 |
150 |
175 |
200 |
|||
|
|
|
|
|
|||||
Алевролит |
с |
кар |
3,2 |
2 и. раствор |
1,5 |
3,5 |
8,0 |
9,0 |
|
бонатным |
|
це |
|
ИаС1 |
|
|
|
|
|
ментом |
|
|
|
Нефть |
2,0 |
5,5 |
8,5 |
— |
— |
Алевролит |
с |
серл- |
27,0 |
2 и. раствор |
0,5 |
2,0 |
6,5 |
8,0 |
9,5 |
цитгндрослюди- |
|
ИаС1 |
|
|
|
|
|
||
стым цементом |
|
Нефть |
3,0 |
8,0. |
11,5 |
13,0 |
14,0‘ |
||
Известняк |
|
|
14,4 |
2 н. раствор |
2,0 |
4,0 |
8,0 |
11,0 |
— |
|
|
|
|
11 сЮ1 |
|
|
|
|
|
Нефть |
2,0 |
10,0 |
19,0 |
23,0 |
— |
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
пород и насыщающего флюида в диапазоне |
температур от 20 |
до 60° С. Интересно отметить, что измерения |
проводились ими |
на глинистых песчаниках, для которых, согласно природе про водимости глинистых коллекторов, температура должна играть большую роль.
Все указанные исследования, за исключением опытов на кол
лекционных глинах, |
проводились при |
атмосферном давлении, |
т. е. при изменении |
влажности пород |
во время эксперимента. |
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(.
Рп (о =• РгЛР» (2 о° о» |
(121) |
|
где Р( = рп (о/рп (20° о* |
Рг = / {Ь) |
для песчано-глинистых |
Сопоставление зависимостей |
||
пород показало наличие связи |
между величиной относительного |
изменения Рг под влиянием температуры и относительной гли нистостью пород (рис. 47).
На основании значений Рг, приведенных в рис. 47, и уравне
ния (121) приближенно |
можно оценить величину рп<о породы |
в диапазоне температур |
20—220° .С. |
Для оценки влияния структурных изменений и состава породы на зависимость рп от температуры могут служить вычисленные
значения относительного |
электрического |
сопротивления пород |
||
50 |
Ш |
150 |
200 |
Ь% |
Рп(70°С)
Рис. 46. Относительное изменение удельного элек трического сопротивления под влиянием темпера туры осадочных пород, насыщенных 2 н. раство ром ИаСЬ
1 —2 н. раствор КаС1; 2 —известняк; 3—высокопористый |
||
аргиллит, кп = 28%; 4 —алевролит, |
/<п = 14,8%; |
5 — |
низкопористый аргиллит, кп =3%; |
6 —глина. |
|
(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
ратур от 20 до 50—100° С. В |
случае |
более высоких температур |
|||||||||||||
(> |
150° С) Р пуменьшается при |
|
|
|
|
||||||||||
мерно на 10—12% для пород, |
|
|
|
|
|||||||||||
насыщенных |
0,1 |
н. |
раствором, |
|
|
|
|
||||||||
и на |
30% |
и |
более |
для |
пород, |
|
|
|
|
||||||
насыщенных 0,01 н. раствором. |
|
|
|
|
|||||||||||
Максимальное изменение пара |
|
|
|
|
|||||||||||
метра |
|
пористости |
наблюдается |
|
|
|
|
||||||||
при |
повышении |
температуры |
|
|
|
|
|||||||||
от |
200 |
до |
250—280° С. |
Эти |
|
|
|
||||||||
изменения |
Рп пород |
насыщен |
|
|
|
|
|||||||||
ных 0,01 |
н. |
раствором, соста |
|
|
|
|
|||||||||
вляют до 70—80%. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Для низкопористых |
алевро |
|
|
|
|
|||||||||
литов |
и песчаников |
характер |
|
|
|
|
|||||||||
изменения Р и с повышением |
|
|
|
||||||||||||
температуры |
несколько |
|
отли |
|
|
|
|
||||||||
чается |
от изменений Рп для |
|
|
|
|
||||||||||
высокопористых |
обр азов аний. |
|
|
|
|||||||||||
В |
диапазоне |
температур |
20— |
|
|
|
|||||||||
70° С |
|
параметр |
пористости |
|
|
|
|
||||||||
у |
этих |
пород |
уменьшается до |
Рис. |
47. Зависимость |
относитель |
|||||||||
20%. При |
этом |
|
степень умень |
||||||||||||
шения |
зависит |
как от концен |
ных изменении температурного пара |
||||||||||||
метра |
от относительной глини |
||||||||||||||
трации |
флюида, |
увеличиваясь |
стости при различных |
температурах |
|||||||||||
с ее уменьшением, так и от диф |
для песчано-глинистых пород. |
||||||||||||||
ференциального давления. При |
I: 1 — 220° С, 2 — 175° С,* |
150° С, 4 — |
|||||||||||||
дальнейшем повышении |
темпе |
|
120° С, |
5 — 100° С. |
|||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
ратуры |
от 70 |
|
до |
100—150° С (в зависимости |
от концентрации |
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)
50 |
100 |
150 |
200 |
рпщ
РП(20°С)
Рис. 48. Пределы |
относительных |
изменений пара |
|
метра пористости |
осадочпых пород под влияипем |
||
температуры при дифференциальном давлении рл = |
|||
|
|
= 100 кГ/см2. |
|
1 — известняк; 2 — песчано-глшшстые |
породы; насыщенно |
||
раствором |
МаС1: |
а — 2 и. б — и, 1 |
н., в — 0,01 II. |
на кривых Рп = / (г) |
зависит от величины давления. Повышение |
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
раствора (2 н.) параметр пористости с |
ростом температуры |
до 200° С изменяется не более чем на 20%, |
а при низкой концен |
трации на 70—80%. Между тем, различие в значениях Рп в зави
симости от концентрациипри температуре |
20° С |
доходит |
для |
|||||||||
изученных |
образцов |
до |
семи-восьмикратного. Исходя из этого |
|||||||||
|
|
|
|
можно |
|
предположить, |
что |
|||||
|
|
|
|
наряду |
|
с |
|
диффузионно |
||||
|
|
|
|
адсорбционной |
способно |
|||||||
|
|
|
|
стью |
пород, |
|
приводящей |
|||||
|
|
|
|
к различию значений Рп |
||||||||
|
|
|
|
при |
разных |
|
концентра |
|||||
|
|
|
|
циях, |
на |
величину про |
||||||
с[о1 |
№ |
|
7оос,ь |
водимости оказывает влия- |
||||||||
|
ние и |
РЯД |
других |
факто |
||||||||
|
|
|
|
ров, стабильных к воздей |
||||||||
|
|
|
|
ствию температуры. Также |
||||||||
|
|
|
|
можно предположить, |
что |
|||||||
|
|
|
|
температура |
|
до |
200° С |
|||||
|
|
|
|
незначительно |
изменяет |
|||||||
|
|
|
|
структуру |
двойного |
элек |
||||||
|
|
|
|
трического |
|
слоя, |
вслед |
|||||
|
|
|
|
ствие |
чего |
изучаемая |
за |
|||||
|
|
|
|
висимость |
Рп = / (С) |
не |
||||||
|
|
|
|
претерпевает |
|
существен |
||||||
|
|
|
|
ных |
изменений от темпе |
|||||||
|
|
|
|
ратуры. |
|
|
|
|
|
|
||
|
•Щ/ I х |
12 |
1 ° \з |
Как |
|
было |
отмечено, |
|||||
|
электрическая |
проводи |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||||
Рпс. 49. Зависимость параметра пористо |
мость |
|
осадочных |
пород |
||||||||
значительно |
|
зависит |
от |
|||||||||
сти от концентрации С насыщающего |
|
|||||||||||
раствора при различных температурах. |
степени |
их |
насыщения и |
|||||||||
/: 1 — 2(»с С, |
2 — 100° С, з — 2П0° С; а — алевро |
соотношения |
|
газовой |
и |
|||||||
лит, *п= |
28%; б — алевролит, 1<п = 3 %. |
жидкой |
фаз |
в |
порах. |
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.