ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 5, с. 3-13
УДК 551.14
ТРЕНД ПОРИСТОСТИ И РАЗМЕРЫ ПОР ПОРОД В КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ ЗЕМНОЙ КОРЕ: ВЫВОДЫ ИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ О ПРОНИЦАЕМОСТИ © 2014 г. В. М. Витовтова1, |В. М. Шмонов1!, А. В. Жариков1, 2
Институт экспериментальной минералогии (ИЭМ) РАН, г. Черноголовка 2Институт геологии рудных месторождений (ИГЕМ) РАН, г. Москва Поступила в редакцию 24.04.2013 г.
На основе результатов измерений при температуре до 600°C и давлении до 200 МПа, проведенных авторами на образцах плотных, малопористых кристаллических пород, типичных для фундамента континентальной коры, построены тренды проницаемости от глубины. Установлено, что с глубиной проницаемость уменьшается. В результате статистической обработки экспериментальных данных получена обобщенная зависимость lg к = — 12.6—3.23#°-223.
Предложен метод и с использованием экспериментальных данных о проницаемости получены значения эффективных диаметров поровых каналов, а также эффективной пористости при /Т-параметрах, отвечающих условиям глубинных зон континентальной коры in situ. Установлено, что размеры пор не имеют явно выраженной связи с глубиной, а пористость уменьшается. Зависимость пористости от глубины может быть аппроксимирована соотношением lg ф = -0.65-0.1H + 0.0019H2. Величины пористости оценивается в первые проценты для глубины 10 км и снижаются до 0.01—0.1% для глубины 35 км. Оценки пористости, полученные с использованием экспериментальных данных, согласуются с результатами теоретических расчетов на основе представлений о строении дискретных сред, а также с полученными при обработке данных магнитотеллурического зондирования. Таким образом, согласно трем независимым оценкам пористость пород континентальной коры снижается с глубиной. Однако и для средней, и для нижней коры отмечаются величины параметра достаточные, чтобы предполагать на этих глубинах присутствие флюидонасыщенных горизонтов.
DOI: 10.7868/S0002333714040188
ВВЕДЕНИЕ
Исследования сверхглубоких скважин показали присутствие мобильных флюидов на глубинах до 10 км [Кольская..., 1984; Ииеп§е8, 1997]. Геофизические данные свидетельствуют, что флюидона-сыщенные горизонты возможно распространены и на более значительных глубинах: слои с высокой электропроводимостью и низкими скоростями упругих волн выявлены в средней и нижней частях континентальной коры [Киссин, 2009]. Пористость и проницаемость являются важнейшими свойствами горных пород, так как определяют характер накопления и миграции флюидов в геологической среде. Однако дистанционных методов для прямого определения фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) глубинных пород в естественном залегании в настоящее время не существует.
Поэтому в случаях, когда изучают породы осадочного чехла, как правило, используют эмпирические соотношения или корреляционные связи, установленные между фильтрационно-емкостны-ми и другими петрофизическими свойствами на основе сопоставления результатов геофизических, лабораторных, а также теоретических исследований [Добрынин, 1991]. Заказчиком таких исследо-
ваний, как правило, является нефтегазовая отрасль, поэтому они проводятся уже давно и очень широко как в нашей стране, так и за рубежом. Накоплен огромный фактический материал, который рассматривается и обобщается в многочисленных публикациях. В результате установлены основные особенности структур осадочных пород, определяющие их пористость и проницаемость, что позволило выявить на качественном уровне универсальные, а на уровне отдельных фаций и количественные связи между фильтрационно-ем-костными свойствами пород [Тиаб, 2009]. Установлены также основные закономерности изменения ФЕС с глубиной в различных условиях, в том числе при аномальных пластовых давлениях [Магара, 1982; Фертль, 1982; Мелик-Пашаев, 1983; и др.].
Однако в случаях, когда рассматриваются свойства плотных, малопористых кристаллических пород, слагающих фундамент континентальной коры, такой подход не правомерен. Вследствие многообразия структур и текстур кристаллических пород выявить их основные особенности, определяющие хотя бы на качественном уровне универсальные связи между пористостью и проницаемостью, очень сложно. Величины обоих
параметров, как правило, малы. Поэтому и лабораторные исследования ФЕС более сложны и трудоемки. Как следствие, данные о пористости и проницаемости кристаллических пород не столь многочисленны, как осадочных. Наконец, для анализа процессов, происходящих в глубинных зонах земной коры, необходимы данные о ФЕС, полученные при высоких температурах и давлениях.
Тематическая группа ИЭМ и ИГЕМ РАН начала систематические экспериментальные исследования проницаемости образцов плотных, малопористых кристаллических пород более чем 30 лет назад [Витовтова, 1982]. За это время накоплен большой опыт, разработаны оригинальные методики и аппаратура [Шмонов, 1982; 2002; и др.]. Главной особенностью применяемой экспериментальной техники является использование инертного газа — аргона для фильтрации через образец, что позволяет сократить время измерений и, главное, избежать геохимических преобразований, вызванных взаимодействием флюид-порода при высоких температурах. Разработана специальная методика определения абсолютной проницаемости по газовой [Шмонов, 2002]. Такой подход, а также использование специально сконструированных установок высокого давления [Шмонов, 2002] дал возможность проводить испытания каждого образца в широком диапазоне давлений (3—200 МПа) и температур (20—600°С) и в ходе каждого измерения получать при одних и тех же заданных РТ одновременно значения абсолютной проницаемости (к) и параметра Клинкенберга (Ь), характеризующего поровое пространство породы.
Таким образом, удалось впервые получить большой объем экспериментальных данных при высоких РТ (исследовано более 50 образцов кристаллических пород, сделано более 2000 определений проницаемости и параметра Клинкенберга). Анализ такого обширного фактического материала позволил установить основные закономерности и причины изменения проницаемости основных типов кристаллических пород при высоких температурах и давлениях. На основе статистической обработки экспериментальных данных, полученных на образцах типичных пород фундамента континентальной коры (11 образцов, 234 экспериментальных точки) построена зависимость проницаемости от глубины [Шмонов, 2002; 8Итопоу, 2003].
Очевидно, что для характеристики свойств пород и характера флюидонасыщения глубинных зон земной коры также необходимы данные о пористости при высоких РТ-параметрах. Однако в настоящее время нет методов, позволяющих проводить прямые измерения пористости образцов горных пород при высоких температурах и давлениях. Поэтому авторы разработали методику определения эффективной пористости и эффективного радиуса пор на основании эксперимен-
тальных данных о проницаемости образцов пород для воды, газа и параметра Клинкенберга. С использованием данной методики построены тренды эффективной пористости и эффективного радиуса пор для РТ-условий континентальной коры, представленные в настоящей работе.
МЕТОД
Процесс однофазной фильтрации через горную породу описывается законом Дарси [Bear, 1972]:
k.
(1)
и = -^Ур, И
где к — проницаемость породы (м2), ц — динамическая вязкость фильтрующейся среды (Па с), р — давление фильтрующегося флюида (Па с).
Как было упомянуто выше, при проведении экспериментальных исследований для фильтрации через образец нами используется инертный газ — аргон. Однако при небольших давлениях поперечные размеры поровых каналов, по которым течет газ, могут быть сопоставимы с длиной свободного пробега его молекул. В этом случае существенное влияние может оказывать скольжение газа вдоль стенок порового канала, вследствие чего вместо вязкого реализуется кнудсенов-ский режим течения. Этот эффект исследовался экспериментально в работе [К1ткепЪег§, 1941]. Результаты опытов показали, что проницаемость пористой среды для воды (к„) отличается от проницаемости этой среды для газа (к^), причем кК и к„ связаны соотношением
kg = kw (1 + = kw [i + b
(2)
где X (м) — средняя длина свободного пробега молекул газа при давлениир (Па); с — безразмерный параметр, зависящий от формы поперечного сечения капилляра и имеющий порядок единицы; г — радиус капилляра (м). Не зависящая от давления величина Ь (Па) получила название параметра Клинкенберга. Этот параметр характеризует форму и эффективный радиус поровых каналов.
Соотношение (2) было установлено для комнатных температур. При высоких температурах вместо проницаемости по жидкости (км,) в (2) используется значение проницаемости для флюида высокой плотности (кх). В этом случае оно принимает вид
k„ =■
kg
1
b
Pav J
(3)
Из (3) следует, что кя стремится к кш с ростом р. Таким образом, используя данное соотношение, можно определить величину проницаемости по
воде (абсолютной проницаемости) по нескольким значениям газовой, измеренным при различных давлениях фильтующегося газа. Такой подход явился основой для разработанной авторами техники измерения проницаемости образцов горных пород, использованной затем в экспериментальных исследованиях при высоких температурах и давлениях [Шмонов, 2002].
Морфология порового пространства горных пород достаточно сложна. Поэтому для теоретических исследований связей между характеристиками фильтрационного потока часто используют математические модели, при создании которых принимают следующие основные допущения:
— движение флюида происходит через проводящие каналы, которые заключены в непроводящей твердой матрице;
— в процессе фильтрации не происходит химического взаимодействия между флюидом и твердой матрицей;
— флюид является Ньютоновской жидкостью;
— фильтрация стационарная; течение в проводящих каналах ламинарное, подчиняется закону Пуазейля.
С помощью теории движения вязкой жидкости для таких идеализированных моделей пористых сред, в которых система каналов имеет правильную геометрическую конфигурацию, можно вывести закон Дарси и получить явные выражения для пористости, проницаемости, а также для связи между этими параметрами. Подробные обзоры мате
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.