Проницаемость горных пород

Проницаемость – это фильтрационное свойство горных пород, пропускать через себя жидкости или газы под действием перепада давления. Для характеристики проницаемости горных пород введены понятия абсолютной, эффективной (или фазовой) и относительной проницаемостей.

Абсолютная проницаемость – это проницаемостьпористой среды при фильтрации через нее жидкости или газа при условии, что данный образец насыщен только этой фазой. Обычно для определения абсолютной проницаемости используют высушенный образец, пропуская через него воздух или газ, так как они отличаются наименьшими свойствами взаимодействия с породой.

Эффективная ( или фазовая) проницаемость характеризует проводимость породы по отношению к одной из нескольких одновременно фильтрующихся фаз. Она также зависит не только от свойств породы, но и от физико-химических свойств жидкостей, их взаимодействия и насыщенности породы каждой из фаз.

Относительной фазовой проницаемостью называется отношение эффективной проницаемости к абсолютной.

Лабораторная работа № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ОБРАЗЦА КЕРНА

Необходимая аппаратура и принадлежности

Редуктор, хлор-кальциевая трубка, кернодержатель, компрессор, баллон для воздуха или газа, газовый счётчик, термометр, барометр.

Схема установки для определения абсолютной проницаемости образца керна.

Конструкция установки, предназначенная для измерения абсолютной газопроницаемости для различных газов, предусматривает наличие источника давления или разряжения, регулятора давления, кернодержателя и измерителей давления и расхода газа (рис 1.3).

Сжатый газ из баллона (1) поступает через редуктор высокого (2) и низкого (3) давлений. Далее газ очищают от паров воды с помощью хлористого кальция (4) и загрязняющей пыли с помощью фильтра (5), измерителями давления служат технические пружинные манометры (7), в качестве расходометра (10) используется градуированная стеклянная трубка.

Так как для определения абсолютной проницаемости керна используется газ, то необходимо вводить некоторые корректирующие поправки на эффект проскальзывания газа.

Это эффект был открыт Клинкенбергом в 1941 году и назван в его честь. Он заключается в том, что газы, в особенности низкомолекулярные, в отличие от жидкостей, при фильтрации в пористой среде, на границе пористая среда – газ имеют ненулевую скорость. Это приводит к более высоким объемным скоростям потока, так как газ проскальзывает по поверхности зерен. Клинкенбергом было также обнаружено, что чем меньше молекулярная масса газа, чем больше проявляется влияние этого эффекта (больше скорость на границе газ – поровый канал).

Рисунок 1.3 – Принципиальная схема установки для определения газопроницаемости: 1 – источник давления; 2 – редуктор высокого давления; 3 – редуктор низкого давления; 4 – осушитель газа; 5 – фильтр; 6 – трехходовой кран; 7 – манометр; 8 – кернодержатель; 9 – линия создания обжима; 10 – градуированная трубка для измерения расхода газа

Выполнение работы

1. Для исследования берется цилиндрический образец диаметром около 30 мм и длиной не менее 25 мм. Штангенциркулем измеряют диаметр и длину образца в пяти сечениях с точностью до 0,02 см и определяют среднеарифметические величины.

2. Цилиндрический образец помещают в резиновую манжету кернодержателя (8) таким образом, чтобы зазор между боковой поверхностью образца и стенками манжеты был минимальным.

3. Исследования будут проводиться для трех различных газов, с начало по Гелию (Не), потом по Воздуху (О₂+N₂) и Углекислому газу (СО₂) на нескольких депрессиях по каждому. Дальнейшая экстраполяция полученных кривых в бесконечное обратное среднее давление позволит получить эквивалентную гидравлическую проницаемость или проницаемость по жидкости. Сначала подключается баллон с Гелием.

4. Создают давление бокового обжима, обеспечивающее отсутствие проникновения (проскальзывания) газа между образцом и манжетой не выше 2,5 МПа (оптимальное 1,3 – 1,5 МПа) с помощью предусмотренной в аппарате пневмосистемы (9). Давление обжима заносят в таблицу результатов.

5. С помощью редуктора (3) устанавливают рабочий перепад давления, контролируемый манометрами.

6. Измерение расхода газа производится с помощью отсчета времени прохождения мыльного пузыря через определенный объем градуированной трубки (10), установленной на выходе из образца и соединенной с атмосферным давлением. Оптимально одно измерение должно продолжаться около 30 – 90 секунд, что обеспечивает минимальную погрешность замеров. Однако в случае сильно проницаемых или непроницаемых пород временной интервал может быть сдвинут, соответственно, в ту или иную сторону, что должно быть отражено в результирующей таблице.

7. Измерение расхода газа через образец выполняются 3 раза при различных перепадах давления в пределах 0,1 – 0,2 МПа. По окончанию измерений кран на баллоне (1) закрывают, а баллон отсоединяют. Подключают следующий баллон с Воздухом и повторяют пункты с 4 по 7. После чего проводят эксперимент для Углекислого газа, после чего закрывают все краны на аппаратуре и извлекают образец керна из кернодержателя.

8. Для каждого газа и на каждой депрессии определяется коэффициент абсолютной газопроницаемости пород по формуле (1.25), которая определяется в соответствии с линейным законом фильтрации Дарси:

(1.25)

где k – коэффициент газопроницаемости, мД; V – объем газа, прошедшего через образец, см³; t – время прохождения газа, с; μ – вязкость газа в рабочих условиях, мПа∙с; ∆Р – перепад давления на образце между входом и выходом; МПа; Р_атм – атмосферное давление, 0,1 МПа; L – длина образца, см; А – площадь поперечного сечения образца, см².

9. Также для каждого газа и на каждой депрессии рассчитывается обратное среднее давление по формуле:

(1.26)

где Р_ср =(Р_вх+Р_вых)/2 – среднее давление эксперимента.

Чем больше среднее давление эксперимента, тем меньше обратное среднее давление. Это раскрывает сущность экстраполяции полученных кривых, так как позволяет найти точку с наименьшим обратным средним давлением, т.е. точку бесконечно большого среднего давления эксперимента, при котором газ становится жидкостью.

10. Результаты исследования заносятся в таблицу 1.17.

11. По расчетным данным проницаемости и обратного среднего давления строится график зависимости «проницаемость – обратное среднее давление», на котором путем экстраполяции полученных кривых находим точку k_ж, которую называют эквивалентной гидравлической проницаемостью или проницаемостью по жидкости (рис 1.4).

Таблица 1.17 – Результаты исследования

Рисунок 1.4 – Корректировка проницаемости по газу для получения проницаемости по жидкости

Упражнение 1.9. Определить коэффициент проницаемости по газу для Гелия, Воздуха и Углекислого газа. Для каждого газа измерение его расхода через образец будет выполняться 3 раза с давлением на входе 0,20, 0,24 и 0,28 МПа и давлением на выходе во всех случаях 0,1 МПа. Остальные исходные данные задачи представлены в таблице 1.17, за исключением «объема газа, прошедшего через образец». Это параметр по вариантам представлен в таблице 1.18. Также по расчетным данным проницаемости и обратного среднего давления построить график зависимости «проницаемость – обратное среднее давление», на котором экстраполяцией определить проницаемость по жидкости.

Таблица 1.18 – Исходные данные к упражнению 1.9