Экспериментальное моделирование изменения деформационных и емкостных свойств пористых коллекторов в связи с эксплуатацией подземных хранилищ газа

Глава 5. Экспериментальные исследования изменения микроструктуры порового пространства.

Испытания образцов показали, что в ходе их циклического нагружения и разгрузки, то есть изменения интенсивности напряжений и порового давления, возникают значительные остаточные деформации и уменьшается пористость. В связи с этим можно предположить, что имела место значительная перестройка структуры порового пространства, заключавшаяся в изменении соотношения содержания пор разного диаметра и, соответственно, разной проницаемости. Изучение изменения микроструктуры порового пространства искусственных песчаников было проведено на программно-аппаратном комплексе, состоящем из РЭМ Leo 1450VP (Фирма Карл Цейс) и программного обеспечения (ПО) "STIMAN" по методике, разработанной В.Н. Соколовым с соавторами. В ходе экспериментов для модельных песчаников с 10 и 20 % цемента в составе проводилось исследование микростроения фрагментов одного и того же образца до и после компрессионного сжатия на установке УКС.

На РЭМ-фотографиях образцов до испытания наблюдаются поры различной формы и соединяющие их узкие поровые каналы. Цементирующее вещество встречается в виде корок на песчаных частицах и в виде игольчатых пучков, расположенных непосредственно на поверхности зерен. На фотографиях образцов после проведенных на них испытаний отмечается большое количество новообразованных микротрещин в цементной корке, тонкоигольчатое цементирующее вещество оказалось перемято.

Обработка РЭМ-изображений с помощью ПО позволила получить количественные характеристики структуры порового пространства: пористость, общую площадь пор, средние значения эквивалентного диаметра, периметра и площади пор, удельную поверхность. Для 10 % цементных аналогов общая пористость уменьшилась с 41,8 % до 37,2 %. Были построены гистограммы распределения пор по эквивалентным диаметрам, на основании которых выделено 4 категории пор: первая D1 - ультракапиллярные с эквивалентными диаметрами менее 0,2 мкм, вторая D2 - микропоры с диаметрами от 0,2 до 1,4 мкм, третья D3 - микропоры с диаметрами от 1,4 до 11,6 мкм и четвертая D4 - мезапоры с диаметрами от 11,6 до 128,3 мкм. Вклад отдельных категорий пор в общую пористость для 10 % цементных модельных песчаников до и после испытания показан на рис. 4. Из диаграмм следует, что до и после испытаний наибольший вклад в общую пористость вносят мезапоры (более 68 и 59 % соответственно), которые в основном определяют проницаемость породы. Ультракапиллярные поры из-за небольшого размера (менее 0,2 мкм) практически не участвуют в фильтрации. Их вклад в общую пористость до испытания составляет 6 %, а после - возрастает до 12 %.

Рис. 4. Диаграмма вклада в общую пористость различных категорий пор для песчаников с 10 % цемента в составе до испытаний - слева и после - справа

Для 20 % цементных аналогов общая пористость уменьшилась от 32,2 до 31,5 %. Это произошло, прежде всего, за счет уменьшения содержания пор наибольшего размера (D4=18,82-1101,45 мкм) с 45,3 до 29 %. Вклад самых тонких пор и поровых каналов (эквивалентный диаметр менее 0,35 мкм) в общую пористость возрос от 16,2 до 19,2 %. Это позволяет предположить, что проницаемость материала должна уменьшиться, так как фильтрация флюида через более тонкие каналы осуществляется с большими затруднениями.

Помимо количественных характеристик порового пространства с помощью ПО была оценена проницаемость образцов. Расчет проводился на основании сеточной модели с включенными объемами, наиболее близко подходящей для описания структуры порового пространства исследуемых образцов. Проницаемость рассчитывалась по формуле Ф.И. Котяхова: , где К_пр - коэффициент проницаемости, D_i и n_i - эквивалентный диаметр i-го порового канала и его пористость, i_cr. - интервал размеров, соответствующий границе между каналами и порами. Результаты расчетов показывают, что при учете критического диаметра поровых каналов, значение коэффициента проницаемости уменьшается в несколько раз: от 2,31^.10^-5 Д до 2,57^.10^-6 Д (для образца с 10 % цемента) и от 3,20^.10^-6 Д до 1,58^.10^-6 Д (для образца с 20 % цемента в составе).

Сравнение результатов изучения порового пространства образцов с 10 и 20 % цемента показало, что для них характерны аналогичные закономерности перестройки структуры вне зависимости от начальной прочности и пористости. Вместе с тем, у более прочных образцов с меньшей начальной пористостью (20 % цемента в составе) после испытаний со знакопеременным изменением порового давления наблюдаются значительно меньшие изменения микроструктуры порового пространства.