Проницаемость горных пород. 
Линейный закон фильтрации. 
Аппаратура для измерения проницаемости

Проницаемость — фильтрационный параметр горной породы, характеризующий ее способность пропускать к забоям скважин нефть, газ и воду.

Абсолютно непроницаемых тел в природе нет. Однако при сравнительно небольших перепадах давлений в нефтяных пластах многие породы в результате незначительных размеров пор оказываются практически мало и совсем непроницаемыми для жидкостей и газов (глина, сланцы и др.).

Большая часть осадочных пород обладает проницаемостью. Поровое пространство этих пород, кроме пространства с субкапиллярными порами, слагается порами большого размера. По экспериментальным данным диаметры пор нефтесодержащих коллекторов больше 1 мкм.

В процессе разработки нефтяных и газовых месторождений встречаются различные виды фильтрации в пористой среде жидкостей и газов или их смесей — совместное движение нефти, воды и газа, воды и нефти, нефти и газа или только нефти либо газа. При этом проницаемость одной и той же пористой среды в зависимости от количественного и качественного состава фаз будет различной. Поэтому для характеристики проницаемости пород нефтесодержащих пластов введены понятия абсолютной, эффективной (фазовой) и относительной проницаемостей.

Для характеристики физических свойств пород используется абсолютная проницаемость.

Под абсолютной принято понимать проницаемость пористой среды, которая определена при наличии в ней лишь одной фазы, химически инертной по отношению к породе. Абсолютная проницаемость — свойство породы, и она не зависит от свойств фильтрующейся жидкости или газа и перепада давления, если нет взаимодействия флюидов с породой. На практике жидкости часто взаимодействуют с породой (глинистые частицы разбухают в воде, смолы забивают поры). Поэтому для оценки абсолютной проницаемости обычно используется газ или воздух, так как установлено, что при движении жидкостей в пористой среде на ее проницаемость влияют их физико-химические свойства [2].

Фазовой называется проницаемость для данного газа или жидкости при наличии или движении в порах многофазных систем. Значение ее зависит не только от физических свойств пород, но и от степени насыщенности порового пространства жидкостями или газом и из физико-химических свойств.

Относительной проницаемостью пористой среды называется отношение фазовой проницаемости этой среды для данной фазы к абсолютной.

Для оценки проницаемости горных пород обычно пользуются линейным законом фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости [4]:

где — скорость линейной фильтрации, R — коэффициент проницаемости, — динамическая вязкость жидкости, — перепад давления между двумя точками в образце на расстоянии L по направлению движения жидкости.

Подставляя значение в формулу (3) и решая относительно R получим.

где Q — объемный расход жидкости через породу, F — площадь поперечного сечения образца.

По формуле (4) определяется коэффициент проницаемости пород в лабораторных условиях.

Размерность коэффициента в международной системе (СИ) является. Эта размерность получается, если в формулу подставить размерности.

Таким образом, в Международной системе за единицу проницаемости в 1 принимается проницаемость такой пористой среды, при фильтрации через образец которой площадью 1, длиной 1 м и перепаде давления 1 Па расход жидкости вязкостью 1 составляет 1 .

Физический смысл размерности (площадь) заключается в том, что проницаемость характеризует площадь сечения каналов пористой среды, по которым в основном происходит фильтрация.

Влияние на проницаемость пород давления, температуры, степени взаимодействия флюидов с породой и необходимость измерения проницаемости пород по газу и по различным жидкостям приводит к необходимости моделировать различные условия фильтрации с воспроизведением пластовых давлений и температур.

Поэтому для определения абсолютной проницаемости горных пород используются разнообразные приборы. Однако принципиальные схемы их устройства большей частью одинаковы — все они состоят из одних и тех же основных элементов: кернодержателя, позволяющего фильтровать жидкость и газы через пористую среду, устройств для измерения давления на входе и выходе из керна, расходомеров и приспособлений, создающих и поддерживающих постоянный расход жидкости или газа через образец породы (рис. 1).

Рис. 1 — Схемы приборов для определения проницаемости пород: 1 — кернодержатель; 2- расходомер; 3 — устройство, создающее постоянный расход жидкости или газа через керн; 4 — измерители перепада давления; 5 — сосуд с водой; 6 — стеклянная трубка; 7 — вентиль.

Различаются приборы лишь по величине давления — большое, малое, вакуум и способу определения проницаемости — по воздуху или по жидкости.

Кроме стационарных приборов (рис. 1,а), для измерения проницаемости используются также упрощенные устройства (рис. 1,б). В этом случае образец в кернодержателе одной стороной соединен с атмосферной трубкой, конец которой опущен под уровень воды. Создав через вентиль 7 разрежение под керном, уровень воды в трубке поднимают на некоторую высоту. После закрытия этого вентиля фильтрация воздуха через керн осуществляется под действием переменного разрежения, характеризующегося высотой столба воды в трубке. Мерой проницаемости породы служит (при постоянстве размеров образца) время опускания мениска в трубке в заданном интервале [2].

Фазовые проницаемости, кроме насыщенности пористой среды различными фазами, зависят от ряда других факторов и специфических свойств конкретной пластовой системы. В результате фактические показатели иногда значительно отклоняются от расчетных. Поэтому при определении зависимости относительных проницаемостей от насыщенности используют более сложные установки, позволяющие моделировать многофазный поток, регистрировать насыщенность порового пространства различными фазами и расход нескольких фаз. Такие установки обычно состоят из следующих основных частей: 1) приспособления для приготовления смесей и питания керна; 2) кернодержателя специальной конструкции; 3) приспособления и устройства для приема, разделения и измерения раздельного расхода жидкостей и газа; 4) устройства для измерения насыщенности различными фазами пористой среды; 5) приборов контроля и регулирования процесса фильтрации.