ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ В ПОРОДАХ

Жидкости и газы способны перемещаться по поровым каналам трещинам породы. Свойство породы пропускать сквозь себя флюиды называется ее проницаемостью.

Проницаемость бывает физическая (абсолютная) и фазовая (эффективная).

Физическая проницаемость — это проницаемость в случае фильтрации через породу однородной жидкости или газа. Фазовая проницаемость — это способность пород, насыщенных неоднородной жидкостью, пропускать отдельныe фазы. Численно величина проницаемости описывается коэффициентом проницаемости k_пp, выводимым из уравнения Дарси, согласно которому количество жидкости Q (м³), прошедшей расстояние Д/ в образце породы, выражается следующим образом:

(5.7)

где ΔР_б, — перепад давлений на пути фильтрации, Па; S — площадь поперечного сечения образца, м²; t — время фильтрации, с; η вязкость жидкости, Па с. Из формулы (5.7) имеем

(5.8)

Коэффициент проницаемости выражается в м².

Рис. 5.1. Зависимость коэффициента проницаемости к_Пр пород от их пористости Р:

1 — песчаник; 2 — карбонатные отложения; 3 — девонский меловидный известняк

Практической единицей измерения проницаемости является дарси (Д) —величина проницаемости, присущая образцу по роды площадью 1 см² длиной 1 см, через который при давлении 9,8 ■ 10⁴ Па в 1с проходит 1 см³ жидкости вязкостью 10~³ Па-с. При этом 1Д=1,02-¹² м².

В практике горного производства широкое распространение получил другой параметр — коэффициент фильтрации.Кф. Практически он представляет собой скорость фильтра ции газа или жидкости через. породы:

k_ф,= Q/(tS). (5.9)

Коэффициент фильтрации: к_ф не учитывает влияния напора воды. Сравнение k_ф и k_пр показывает, что между ними в случае фильтрации воды существует следующее примерное соотношение: 1Д=1см/с= = 864 м/сут.

В зависимости от значения коэффициента фильтрации по роды подразделяют на водоупорные (к_ф<0,1 м/сут), слабопроницаемые (0,1 м/сут< к_ф <10 м/сут), среднепроницаемые (10 м/сут < к_ф < 500 м/сут) и легкопроницаемые (к_ф > 1000 м/сут).

Водопроницаемость в основном зависит от размера пор, их общего объема в породах (рис. 5.1) и конфигурации; поры определяют объем фильтрующейся жидкости, траектории струй и силы трения, препятствующие движению. В общем случае проницаемость возрастает с увеличением пористости пород, особенно открытой, однако бывают и отклонения от этой зависимости. Существенное влияние на величину k_np имеет средний диаметр пор d, как это видно из уравнения, выведенного ил основании закона Пуазеля:

k_np=d²P/(32T²_и), (5.10)

где Р — пористость, доли единицы; Т_И — извилистость поровых каналов (Ти=l/l₀); l и l₀ — соответственно длина порового канала и длина образца.

Сверхкапиллярные поры (см. разд. 1.1) пропускают жидкости под действием силы тяжести или давления по обычным законам гидродинамики.

В капиллярных порах движение жидкости происходит вследствие сил капиллярного притяжения. Под действием давления жидкость в капиллярах будет двигаться лишь тогда, когда оно превысит молекулярные силы притяжения.

Субкапиллярные поры жидкости практически непропускают. Именно потому глины относятся к водоупорным, несмотря на высокую их пористость (50 % и более). Почти вся вода в них находится в связанном состоянии и препятствует перемещению гравитационной воды. И наоборот, скальные породы могут иметь малую пористость, но обладать большой проницаемостью. У этих пород различают проницаемость межгранулярную и трещинную, из которых последняя значительно больше. Так, трещинная проницаемость сланцев, известняков, доломитов и т. д. находится в пределах (1,5—4,0) • 10^-14 м2 (до 40 мД), межгранулярная достигает 10^-16 м2

(0,1 мД).

Коэффициент трещинной проницаемости К_Пр. т может быть рассчитан по формуле

(5.11)

где б — величина раскрытия трещин, м; Р_т — трещинная пористость. Так как раскрытие трещин обычно составляет (14— 5) • 10-⁶ м,

(5.12)

Слоистым породам присуща анизотропия водопроницаемости: проницаемость вдоль напластования больше, чем перпендикулярно к нему. На водопроницаемость рыхлых пород влияет также их минеральный состав. Минералы с хорошо выраженной спайностью пропускают воду довольно слабо, так как в них при прочих их условиях образуются поры меньших размеров, чем в минералах, не обладающих спайностью и хорошо окатанных. Вода лучше проходит через породы, сложенные минералами, обладающими хорошей смачиваемостью.

И случае циркуляции газов в породах пользуются понятием газопроницаемости пород: физическая сущность газопроницаемости подобна водопроницаемости.