Способ определения коэффициентов фильтрации рыхлых песчано-глинистых пород Советский патент 1992 года по МПК E21B47/00 E21B47/10 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для послойных определений коэффициентов фильтрации пород в скважинах в гидрогеологии, инженерной геологии и при подземном выщелачивании полезных ископаемых

Известен способ определения коэффициентов фильтрации пород в скважинах, включающий отбор проб пород изучаемого водоносного горизонта, лабораторное определение в этих пробах коэффициентов фильтрации или проницаемости, пористости и относительного электрического сопро- тивления, установление по данным измерений указанных параметров экспериментальных корреляционных соотношений типов

Кпв :(1)

Кф с Pnd(2)

где Кф - коэффициент фильтрации породы;

Кп - пористость породы;

Рп - относительное электрическое сопротивление породы; а, в, с, d - эмпирические коэффициенты.

проведение в исследуемых скважинах измерений удельной электропроводности или электрического сопротивления пород и нахождение по данТТйм ука за нн ых иЗШрений значений пористости и относительного электрического сопротивления Пластов, и последующее определение коэффициентов фильтрации пластов путем подставки найденных значений пористости и относительного электрического сопротивления в корреляционные соотношения (1) и (2). Этот способ дает низкую точность и достоверность оценок коэффициентов фильтрации из-за погрешностей корреляционных соотношений (1) и (2), связанных с неустойчивостью их коэффициентов в пределах изучаемой площади, а также из-за дополнительных погрешностей определения пористости и относительного электрического сопротивления пластов по данным электрометрии скважин.

Известен способ определения коэффициентов фильтрации рыхлых песчано-глини- стых пород, включающий бурение скважин, отбор керновых проб пород из пластов изсл

4J ел

00

ю

учаемого водоносного горизонта, определение в породах содержаний и размеров зеренфракцииметодамигранулометрического анализа, определение эффективного диаметра зерен пород путем взвешивания размеров зерен фракций по их содержаниям, определение эффективной пористости пород, и определение коэффициентов фильтрации пород по их эффективной пористости и эффективным диаметром зерен с использованием соотношения Козе- ни-Кармана

Кф-А

Кпэ

da2,

(3)

(1-Kn9)2

где Кф - коэффициент фильтрации;

А - эмпирический коэффициент;

Кпэ - эффективная пористость;

d3 - эффективный диаметр зерен породы.

Этот способ весьма трудоемкий и дорогой из-за необходимости отбора керновых проб из каждого пласта в изучаемом водоносном горизонте в каждой скважине на изучаемой площади, а также необходимости выполнения гранулометрических анализов и определений эффективной пористости для каждой пробы. Кроме того, в рыхлых песча- но-глинистых отложениях выход керна обычно неполный, что снижает представительность и достоверность получаемых оценок коэффициентов фильтрации или для обеспечения достоверности требует сгущения сети керновых скважин.

Целью изобретения является снижение трудоемкости и стоимости определений коэффициентов фильтрации за счет сокращения объемов кернового бурения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициентов фильтрации рыхлых песчано-глини- стых пород, включающему бурение скважин, отбор керновых проб из пород изучаемого водоносного горизонта, определение в породах содержаний и размеров зерен фракций методами гранулометрического анализа, определение эффективного диаметра зерен породы как взвешенного из размеров зерен фракций по их содержаниям, определение эффективной пористости пород, и определение коэффициентов фильтрации пород по их эффективной пористости и эффективным диаметрам зерен,

керновые пробы отбирают в опорных скважинах, в пробах выделяют обобщенные алеврито-глинистый и песчано-гравийный компоненты, определяют эффективный диаметр зерен каждого обобщенного компонента, а также пористость гранулярной матрицы пород изучаемого водоносного горизонта, измеряют в опорных скважинах удельную электропроводность пластов, пластовой воды и фильтрата бурового раствора, применяемого при бурении скважин на изучаемой площади, и определяют, с учетом гранулометрических данных, удельную электропроводность локализованного алев- рито-глинистого материала в породах изучаемого водоносного горизонта, во всех пробуренных скважинах измеряют удельную электропроводность пластов и промытой зоны проницаемых пластов, и электрохимическую активность пластов, по которым определяют объемное содержание в пластах локализованного и рассеянного алеврито-глинистого материала, а коэффициент фильтрации каждого пласта находят из соотношения

(1-Клг)(Кпо-Крг)3х

dnc dprт 2

Крг dnc + (1 - Кпо ) dpr где Кф - коэффициент фильтрации пласта, м/сут;

Кпо - пористость гранулярной матрицы пород;

Клг - объемное содержание в пласте локализованного алеврито-глинистого материала;

Крг - объемное содержание в пласте рассеянного алеврито-глинистого материала;

dnc - эффективный диаметр зерен обобщенного песчано-гравийного компонента пород, мм;

dpr - эффективный диаметр зерен обобщенного алеврито-глинистого компонента пород, мм;

А - эмпирический постоянный коэффициент, м/сут мм2,

При повышенном влиянии геоэлектрических помех на измерения электрохимической активности пластов объемные содержания локализованного и рассеянного алеврито-глинистого материала в пластах находят из соотношений:

Использование: для послойных определений коэффициентов фильтрации в гидрогеологии, инженерной геологии и при подземном выщелачивании полезных ископаемых. Сущность изобретения: коэффициент фильтрации каждого пласта находят из соотношений приведенного в формуле изобретения. 2 з.п.ф- лы.

Клг

Опз ( В Олг - СГр ) - Оп ( В Олг Оф ) - В (7лг ( Оф - gp )/Po

Крг - Ро К

Олг

по

Олг С Ро-В ) (Оф + 0р) (Оф + Ор)+ОЬ (Ро Опт Оф ) - Опз

( Ро Олг Ор )

Олг ( Ро - В ) ( Оср - Ор )

( Ро Олг Ор )

где РО - среднее отношение удельной электропроводности пластовых вод изучаемого водоносного горизонта к удельной электропроводности песчано-гравийных пластов;

Ор - удельная электропроводность пластовых вод изучаемого водоносного горизонта, См/м;

Оф удельная электропроводность фильтрата бурового раствора, применяемого при бурении скважин на изучаемой площади, См/м;

Опт - удельная электропроводность локализованного алеврито-глииистого материала, См/м;

On - удельная электропроводность пласта, См/м;

Опз-удельная электропроводность промытой зоны пласта, См/м- .

В - эмпирический постоянный коэффициент.

При повышенном влиянии геоэлектрических помех на измерения электрохимической активности пластов и при близких значениях удельной электропроводности пластов и промытой зоны этих пластов по керновым образцам опорных скважин выявляют подчиненное и преобладающее соотношение алеврито-глинистого материала локализованного и рассеянного типа в породах изучаемого водоносного горизонта, содержание алеврито-глинистого материала подчиненного типа принимают равным нулю, а содержание алеврито-глинистого материала преобладающего типа находят по соотношениям

Ро oh - 7Р

Клг -

Кпг - К

Ро (Тлг Ор

Ро On Тр

vpr-.Mio в-0-лг-Ор

Принципиальные основы предложенного способа следующие

Для определения коэффициентов фильтрации рыхлых рассеянно-глинистых пород по их гранулометрическому составу применяют соотношение Козени-Кармана (3) Эффективная пористость такой породы равкэ пористости ее гранулярной матрицы КПо за вычетом содержания в породе рассеянного алеврито-глинистого материала Крг

.(4)

Эффективный диаметр зерен породы по данным гранулометрического анализа определяют по размерам зерен фракций этой породы di и относительным содержаниям зерен этих фракций К| по взвешивающим формулам

К,/Ј (K,/d,) 1

(5)

где п - число выявленных в породе грянуло метрических фракций.

Выделим в породе две обобщенные фракции (компонента), песчано-гравийную с эффективным диаметром зерен dnc 0,05 мм и содержанием в породе КрС 1-Кпо и алеврито-глинистую с эффективным диаметром зерен ,05 мм и содержанием о породе КрГ. Экспериментально установлено, что в пределах локальных геологически однородных площадей эффективные диаметры зерен таких обобщенных фракц/й для проницаемых пластов варьируют в сравнительно узких пределах и могут быть приняты постоянными. Тогда для указанных обобщенных фракций из (5) следует

0

5

cb

( 1 - Кпо + К

К

рг

рг) dnc dpr

dnc + ( 1 Кпо ) dpr

(6)

0

5

0

5

Подставляя выражения (6) и (4) в уравнение (3), получим

(КпсгКрг) х „ гdnc dpr

iKr

(7)

.pr dnc + (1 - Кпо ) dpr Поскольку включения локализованного алеврито-глинистого материала в породах являются макроскопическими (прослои, пропластки, линзы, окатыши, галька, и т.п.), определим их влияние на коэффициент фильтрации, без учета вязкого трения, как снижение сечения фильтрации на относительную величину, равную объемному содержанию в породе локализованного алеврито-глинистого материала КЛг. Тогда для коэффициента фильтрации породы, содержащей оба типа алеврито-глинистого материала, окончательно получим

55

40

45

50

(1-Клг)(КПо-КргГх

рг

dnc + ( 1 - Кпо ) d

рг

:

(8)

Для определения объемных содержаний локализованного и рассеянного алеврито-глинистого материала можно использовать, например, следующую известную методику.

По способу относительной глинистости по величинам электрохимической алеврито- глинистого материала и удельной электропроводности пластов определяют общую глинистость пластов; по фиктивным относительным сопротивлениям пласта и промытой зоны определяют кажущиеся пористости пластов и промытой зоны и затем приращения пористости; по приращениям пористости определяют рассеянную глинистость пластов и затем локализованную глинистость, как разность между общей и рассеянной.

В случаях, когда достоверные измерения электрохимической активности пластов затруднены, для определений объемных содержаний в пластах алеврито- глинистого материала различных типов предлагается методика с использованием следующей петрофизической модели.

В произвольном единичном сечении рыхлой песчано-глинистой породы можно выделить локализованные алеврито-глини- стые включения с суммарной площадью сечения Клг и удельной электропроводностью Опт , участки гранулярной матрицы, поровое пространство которых заполнено рассеянным алеврито-глинистым материалом, с суммарной площадью сечения КрГ/КПо и удельной электропроводностью Всглг/Ро, где В - отношение удельных электропро- водностей рассеянного и локализованного алеврито-глинистого материала;

Ро - относительное электрическое сопротивление гранулярной матрицы породы, или отношение удельной электропроводности пластовой воды к удельной электропроводности матрицы с порами, заполненными этой водой; участки гранулярной матрицы, поровое пространство которых заполнено

Опз ( В Олг - Ор ) - On ( В Ол

Клг Ро

Крг - РО Ki

по

Олг ( Ро В . °м ( °Ф °Р ) + °п ( Р

СГЛГ (Р

Анализ уравнений 11 и 12 показывает, что они имеют смысл только при контрастных величинах ор и Оф и, соответственно оь и Опз. Если же эти величины близки, измерения удельной электропроводности промытой зоны малоинформативны и для определения содержаний алеврито-глинистого материала применимо только соотношение (9). В этом случае по керну опорных скважин определяют, какой тип глинистости преобладает в породах изучаемого водоносного горизонта, а содержание алеврито-глинистого материала подчиненного типа принимают равным нулю. Из выражений (9) при имеем РО оь - ОР Ро Олг - Ор

а при получаем

РО -Ob-Op В Ohr Ор

Принимая содержание одного из типов алеврито глинистого материала равным нулю и используя соотношения (13) или (14), тем самым приводят общую глинистость пород к глинистости преобладающего типа. Экспериментальные данные показали, что возникающие при этом погрешности обычКлг

Крг- Кпо

(13),

(14)

пластовой водой, с суммарной площадью сечения 1-КлгКрг/Кпо и удельной электропроводностью СГр/Ро,

где Ор - удельная электропроводность пластовой воды.

Для макрооднородной и изотропной породы можно принять, что ее удельная электропроводность равна сумме произведений удельных электропроводностей компонент на их сечения. Тогда для удельной электропроводности рыхлой песчано-глинистой породы получаем

К,

ОН Ор/Р0 +Y21 ( В - (Тр )/

К

по

/Ро + Клг ( Олг - СГр/Ро )

Аналогично, при заполнении порогового пространства фильтратом бурового раствора с удельной электропроводностью оср, удельная электропроводность промытой зоны пласта составит

К

Олз ОЬр/Ро + -j ( В Олг - Оф )/ /10) /Ро + Клг (Олг-Оф/Ро).

Разрешая уравнения (10) и (9) относительно Клг и Крг, получим ф ) - В Олг ( РФ - Ор )/Ро ,,ч

(12)

оф-ор)

Олг Оф ) - Сщ ( Ро ; Олг - Ор )

В ) (Оф-Ор)

но невелики, в особенности при приведении к рассеянной глинистости.

Величину (1) в соотношениях (3), (7), (8) определяют экспериментально по выражению (3) путем лабораторных измерений коэффициентов фильтрации керновых образцов с известными эффективной пористостью и эффективным диаметром зерен. В отсутствие таких измерений можно принять

литературную оценку А 3000м/сут мм2. Величину (2) в соотношениях (9}-(14) определяют экспериментально в опорных скважинах путем измерений удельной электропроводности пластов, в которых по керновым данным поровое пространство заполнено рассеянным алеврито-глинистым материалом, и сравнения получаемых значений с удельной электропроводностью локализованного алеврито-глинистого материала. В

отсутствие таких измерений для рыхлых пород можно принять .3.

Экспериментально установлено, что относительное электрическое сопротивление гранулярной матрицы Р0 и ее пористость

Кпо, а также удельная электропроводность локализованного Олг и рассеянного В-олг алеврито-глинистых компонентов, в пределах локальных геологически однородных участков для проницаемых пластов меняются незначительно и могут быть приняты постоянными. Удельная электропроводность фильтрата бурового раствора при неизменной технологии приготовления раствора также стабильна. Удельная электропроводность пластовой воды в пределах единого водоносного горизонта на локальных площадях меняется слабо и легко измеряется в скважинах. Эти обстоятельства позволяют использовать сравнительно редкую сеть опорных керновых скважии для определений коэффициентов фильтрации во всех скважинах изучаемых объектов.

Способ осуществляют следующим образом.

В процессе бурения опорных скважин, представительно распределенных на изучаемой площади, отбирают пробы керна всех встречающихся в изучаемом водоносном го- ризпнте песчано-глинистых пород. Известными лабораторными методами (например,, методом насыщения керосином) определяют пористость керновых образцов. Проводят гранулометрический анализ образцов (например, методами ситования и взмучивания), в результате которого определяют содержания К) и размеры зерен di всех присутствующих в образцах гранулометрических фракций. Выделяют в образцах пес- чано-гравийный (di 0,05 мм) и алеврито-глинистый (,05 мм) компоненты, и по соотношению (5) находят средние для изучения образцов значения эффективных диаметров зерен dnc и dpr для обоих компонентов. Выделяют в разрезе опорных скважин по результатам анализа керновых проб песчано-гравийные пласты, не содержащие алеврито-глинистого компонента, и алеврито-глинистые пласты. Среднюю пористость проб, не содержащих алеврито- глинистого компонента, применяют равной пористости гранулярной матрицы пород изучаемого водоносного горизонта. Во время бурения опорных скважин отбирают про- бы бурового раствора и определяют удельную электропроводность фильтрата Оф, приведенную к пластовой температуре. Измеряют в опорных скважинах удельную электропроводность пород оь, например, методами каротажа сопротивлений или индукционного каротажа. В процессе плановых откачек опорных скважин измеряют, например, методом скважинной кондукто- метрии, удельную электропроводность пластовых вод и затем определяют ее среднее значение для изучаемого участка fTp. Сопоставляя содержание алеврито-глинистого

компонента в керновых образцах из пластов с удельной электропроводностью этих пластов, принимают удельную электропроводность локализованного алеврито-глинистого компонента пород изучаемого водоносного горизонта равной средней удельной электропроводности пластов, но содержащих песчано-гравийного компонента, В случаях, когда чистых песчано-гравиЛ0 ных и алеврито-глинистых пластов в разрезе опорных скважин не выявлено, пористость гранулярной матрицы и удельную электропроводность локализованного алеврито-глинистого компонентов определяют

5 путем построения зависимостей указанных параметров от содержания в породах алеврито-глинистого материала и экстраполяции зависимостей к нулевым и 100%-ным содержаниям алеврито-глинистого мзтери0 ала.

Во всех рядовых бескерновых скважи- сах измеряют удельную электропроводностьпластовустановкамиэлектрокаротажа и удельную электропро5 водность промытой зоны проницаемых пластов микроустановками электрокаротажа (например, микробоковой каротаж), а также измеряют электрохимическую активность пластов методом потенциалов собственной

0 поляризации. Затем, используя, например, указанную методику В,Н. Дахнова, определяют объемные содержания в каждом пласте алеврито-глинистого материала локализованного и рассеянного типа. И, на5 конец, подставляя в выражение (8) значения пористости гранулярной матрицы и эффективных диаметров зерен обобщенных фракций для изучаемого водоносного горизонта, а также найденные объемные содержания

0 локализованного и рассеянного алеврито- глинистого материала в пластах, определяют коэффициент фильтрации каждого пласта.

В случаях, когда определения коэффи5 циентов фильтрации приходится проводить на площадях с интенсивными, обычно промышленными, помехами, достоверно измерить электрохимическую активность пластов нередко не удается. При этом если

0 удельные электропроводности пластовой воды и фильтрата бурового раствора контрасты (например, отличаются более чем на 30%), в опорных скважинах дополнительно определяют относительное электрическое

5 сопротившение гранулярной матрицы пород изучаемого водоносного горизонта, как среднее отношение удельной электропроводности пластовой воды к удельной электропроводности песчано-гравийных пластов, затем определяют объемные содержания

локализованного и рассеянного алеврито- глинистого материала в каждом пласте по соотношениям(11)и (12)и, наконец, находят коэффициент фильтрации каждого пласта по соотношению (8).

При затруднениях с измерением электрохимической активности пластов и близкихзначенияхудельнойэлектропроводности пластовой воды и фильтрата бурового раствора соотношения (11) и (12) для содержаний алеЪрито-глини- стого материала неэффективны. В тайихслучаях при изучении керновых образцов из опорных скважин дополнительно определяют средние содержания локализованного и рассеянного алеврито-глинистоТб материала в породах изучаемого в бд бТТб б йО горизонта, и выявляют преобладающий и подчиненный по среднему содержанию типы глинистости При преобладании рассеянного алеврито-глинистого материала содержание локализованного принимают равным нулю, содержание рассеянного определяют по соотношению (13). и эти значения глинистости используют в соотношении (8) для коэффициента фильтрации пластов. При преобладании локализованного алеврито-глинистого материала его содержание определяют по соотношению (14), содержание рассеянного материала принимают равным нулю, и затем находят коэффициенты фильтрации пластов подставкой полученных оценок глинистости обоих типов в соотношение (8).

Практическое опробование предложенного способа в сравнении с аналогом (соотношение 1) и прототипом (соотношения 3-5) проведено на двух площадях в СССР и НРБ. Полученные результаты показали, что предложенный способ втрое точнее аналога и практически не уступает в точности прототипу, позволяя при этот разредить сеть опорных керновых скважин в 5-8 раз.

Формула изобретения

что, с целью снижения трудоемкости и стоимости определений коэффициентов фильтрации за счет сокращения объемов кернового бурения, керновые пробы отбирают в опорных скважинах, в пробах выделяют обобщенные алеврито-глинистый и песчано-гравийный компоненты, определяют эффективный диаметр зерен каждого обобщенного компонента, удельную электропроводность фильтрата бурового раствора, пористость гранулярной матрицы пород изучаемогоъодоносного горизонта, измеряют в опорных скважинах удельную электропроводность пластовой воды, определяют

удельную электропроводность локализованного алеврито-глинистого материала в породах изучаемого водоносного горизонта, во всех пробуренных скважинах измеряют удельную электропроводность пластов и

промытой зоны проницаемых пластов и Электрохимическую активность пластов, по которым определяют объемное содержание в пластах локализованного и рассеянного алеврито-глинистого материала, а коэффициент фильтрации каждого пласта находят из соотношения

(1-Клг)(КлгКрг)3х dpr

Крг dnc + ( 1 - Кпо ) d

рг

2,

где Кф - коэффициент фильтрации пласта, м/сут;

Кпо пористость гранулярной матрицы пород;

Клг - объемное содержание в пласте локализованного алеврито-глинистого материала;

Крг - объемное содержание в пласте рассеянного алеврито-глинистого материала;

dnc - эффективный диаметр зерен обоб- щенного песчано-гравийного компонента пород, мм;

dpr - эффективный диаметр зерен обобщенного алеврито-глинистого компонента пород, мм;

А - эмпирический постоянный коэффициент, м/сут мм2.

Mir

Опз ( В Опг Ор ) On ( В Ом Оф ) В Олг (Оф Ор )/Ро . СГлг -(Ро-В) (Оф-Ор)

Опг (Оф Ор ) + Oh ( Ро Олг Оф ) Опз ( Ро Олг Ор ) ГГлг (Ро-В ) (Оф-Ор):

Крг Ро К:

где Ро - среднее отношение удельной электропроводности пластовых вод изучаемого водоносного горизонта к удельной электропроводности песчано-гравийных пластов;

Ор-удельная электропроводность пластовых вод изучаемого водоносного горизонта, См/м;

Оф удельная электропроводность фильтрата бурового раствора, применяемого при бурении скважин на изучаемой площади. См/м;

Олг - удельная электропроводность локализованного алеврито-глинистого материала пород, См/м;

он - удельная электропроводность пласта, См/м;

7пз - удельная электропроводность промытой зоны пласта, См/м;

В - эмпирический постоянный коэффициент.

0

5

Ро gn - Ор

лг

0

Крг-Кпо

Ро 0-лг Ор Ро Оп Ор

В -СТяг Ор