Вещественная, структурная и фазовая неоднородность пород

Молекулы монослоя строго ориентированы и малоподвижны. Следующий слой образован также ориентированными молекулами воды, однако строгость их ориентации и энергия связи с поверхностью меньше, чем молекул первого монослоя. Считают, что по мере удаления от границы раздела твердая фаза — жидкость, свойства пленочной воды плавно изменяются, приближаясь к свойствам свободной воды. Однако доказано, что при переходе от первых двух-трех слоев к последующим свойства воды меняются резко, что позволяет выделить слой прочносвязанной воды (2—3 монослоя) с наиболее аномальными по отношению к свободной воде свойствами.

В объеме, занимаемом пленочной водой, расположен двойной электрический слой (ДЭС) (рис. 1.16), возникающий близ границы твердой и жидкой фаз благодаря тому, что поверхность твердой фазы имеет электрический заряд, обычно отрицательный.

Двойной слой на границе фаз состоит из внутренней и внешней обкладок. Внутренняя отрицательная образована в основном анионами кристаллической решетки минералов, чаще ионами ОН^- . Внешняя обкладка состоит из катионов, компенсирующих отрицательный заряд поверхности твердой фазы.

Большая часть катионов (более 90—95%) сосредоточена в адсорбционном монослое (слой Штерна), остальные распределены в растворе, и образуют диффузную часть (слой Гуи) внешней обкладки двойного слоя. Двойной слой в целом электронейтрален так, что суммарный положительный заряд внешней обкладки компенсирует отрицательный заряд поверхности. Потенциал U внешней обкладки в направлении по нормали к границе раздела фаз меняется вначале линейно в пределах монослоя (полный скачок), затем пропорционально 1/х (где х — расстояние от границы), достигая нуля в свободном растворе.

Пленочная вода практически целиком заполняет объем капилляров с радиусом r<20 — 30 нм, причем капилляры с радиусом r<1,5—2,0 нм заполнены в основном прочносвязанной водой.

Свободной или гравитационной водой называют воду, заполняющую различные крупные пустоты в горных породах и передвигающуюся в них под действием силы тяжести или разности напоров. Поровая свободная вода обладает свойствами, присущими поверхностным водам.

Влажность

Важнейшей характеристикой физического состояния осадочных пород является их влажность. Она характеризуется количеством воды, заполняющей поры. Все количество воды, которое содержит порода в естественных условиях залегания, называют естественной влажностью породы. Общая максимальная влажность W_∑ породы представляет собой:

W_∑ = W_х.с + W_ф.с + W_св

где W_х.с , W_ф.с , W_св , – объемное содержание в породе соответственно химически связанной, физически связанной и свободной воды.

Различают весовую влажность и объемную.

Весовая влажность определяется отношением массы воды, заполняющей поры, к массе сухой породы в долях единицы или в процентах от массы сухой породы:

Объемная влажность характеризуется объемом воды, содержащейся в единице объема породы:

где W₀ - объемная влажность; V_в , V_п - объемы воды и сухой породы; δ_в , δ_с — плотность воды и сухой породы (скелета).

Объемную влажность, так же как и весовую, выражают в долях единицы и в процентах, но от объема сухой породы. Если поры породы полностью заполнены водой, то объем воды в породе равен объему ее пор (пористости).

Теперь давайте рассмотрим такой важный параметр петрофизических исследований как остаточная водонасыщенность.

Суммарное содержание в породе пленочной и части капиллярно-удержанной воды определяют как остаточную воду, характеризуя содержание ее в объеме пор породы коэффициентом остаточного водонасыщения:

к_в.о = V_в.о /V_п

где V_в.о , V_п — соответственно объемы остаточной воды и пор.

Для определения к_в.о в практике петрофизических лабораторий применяют несколько способов, которые можно разделить на две группы. К первой относится единственный способ, получивший название прямой метод, или метод Закса.

Способы второй группы различаются условиями моделирования остаточной воды в образце. Способы второй группы иногда называют косвенными.

Определение к_в.о прямым методом включает следующие этапы: 1) изучаемые продуктивные отложения вскрываются скважиной с РНО (раствор на нефтяной основе) при сплошном отборе и выносе образцов керна в заданном интервале разреза; 2) образцы после выноса на поверхность немедленно консервируются, в дальнейшем соблюдаются условия для сохранения в образце пластовых флюидов; 3) каждый образец, подлежащий исследованию, расконсервируют и экстрагируют спиртобензольной смесью в аппарате Закса, снабженном специальной ловушкой для воды, извлекаемой из образца при экстракции; 4) определяют объем V_в.о воды, выделенной из образца, а затем, зная объем образца и коэффициент пористости вычисляют объем пор и рассчитывают к_в.о .

Прямой метод считается эталонным при определении параметра к_в.о , поскольку он дает представление о реальных значениях коэффициентов водо-, нефте- и газонасыщения в пластовых условиях для изучаемого геологического объекта. Недостатком прямого метода является невозможность использования его для получения представительного массива значений к_в.о , поскольку скважины, бурящиеся с применением РНО и полным отбором керна, — большая редкость. Поэтому основной объем исследований на образцах с целью определения к_в.о выполняют косвенными методами.

Косвенные методы определения коэффициента остаточного водонасыщения

Перед проведением исследований любым косвенным методом образец породы, извлеченный из скважины экстрагируют в аппарате Сокслета, используя спиртобензольную смесь, а также дополнительно другие органические растворители— хлороформ, толуол. Далее экстрагированный образец высушивают при постоянной температуре, обычно 105 °С. Затем образец насыщают водой. В зависимости от варианта косвенного метода насыщают либо моделью пластовой воды или дистиллированной водой. Далее удаляют воду из образца, фиксируя в конце эксперимента содержание в образце остаточной воды.

Косвенные метод определения коэффициента остаточного водонасыщения:

Метод капиллярного вытеснения

Метод центрифугирования

Метод сушки

Метод ЯМР

Для определения к_в.о методом капиллярного вытеснения (капилляриметрии) изучаемый образец, полностью насыщенный водой, помещают в специальную ячейку на полупроницаемую мембрану с порами определенного размера. Под действием перепада давлений, не превышающем того, на который рассчитана мембрана, либо воздухом, либо жидкостью вытесняют воду. Та вода, которая в итоге остается в образце является остаточной.

В методе центрифугирования полностью водонасыщенный образец, прошедший ту же подготовку, что и перед исследованием капилляриметрическим методом, помещают в ячейку ротора центрифуги и центрифугируют в течение некоторого времени с заданной частотой вращения. Под действием центробежной силы, вода вытесняется из образца. Остается только вода, объем которой и определяет коэффициент остаточного водонасыщения.

Частоту и продолжительность вращения обычно устанавливают экспериментально.

Преимущество метода центрифугирования по сравнению с капилляриметрическим значительно меньшая продолжительность эксперимента. Однако считается что у этого метода более низкая точность определения.