Влияние глинистых минералов и состава вод на проницаемость пород-коллекторов

Многочисленные исследования показали, что проницаемость пород, определенная по пресной воде, значительно меньше воздухопроницаемости, что по отношению к растворам хлористого натрия проницаемость обычно увеличивается по мере увеличения концентрации соли; в концентрированных рассолах проницаемость может быть равна проницаемости в воздушной среде. В табл. 6-3 приведены результаты таких определений, заимствованные из работы Бэптайста и Суини. Например, образец А по существу непроницаем для дистиллированной воды, а его проницаемость для наиболее соленой воды составляет 15%. Однако образец D имеет проницаемость, определенную по дистиллированной воде, равную 72% воздухопроницаемости, а его проницаемость по отношению к концентрированному рассолу по существу такая же, как и воздухопроницаемость.

По данным, приведенным в табл. 6-3, можно судить не только о различиях величин проницаемости данного образца песка по воздуху, по дистиллированной воде и по рассолу, но и о зависимости интенсивности таких различий от состава глинистых минералов. Бэптайст и Суини показали, что наибольшие различия величин проницаемости по воздуху, по воде и по рассолу отмечаются в тех песках, которые содержат монтмориллонит или ассоциацию смешаннослойных минералов, включающих монтмориллонитовые слои. Так, образец А, содержащий наибольшее количество смешаннослойных минералов, становится по существу непроницаемым для дистиллированной воды и слабо концентрированного рассола, тогда как в образце D, не включающем смешаннослойных минералов, изменения величин проницаемости, определенных в тех же самых средах, незначительны. Знаменательно, что для образца С, не включающего смешаннослойных минералов, но содержащего много иллита, проницаемости, определенные по воздуху, воде и рассолу заметно различаются. Еще раньше Бейтс и др. отмечали, что такая зависимость проявляется в брэдфордских песках в Пенсильвании. Додд и др. представили данные, свидетельствующие о том, что 5—10% разбухающих глинистых минералов в тончайших фракциях (—325 меш) песка достаточно, чтобы песок был чувствителен к воде и его проницаемость по воде уменьшилась бы более чем на 40% по сравнению с воздухопроницаемостью.

Фон Энгельгардт и Танн показали, что проницаемости кернов, содержащих только иллит и каолинит без какой-либо примеси монтмориллонита, определенные по воздуху и по рассолам с различной концентрацией хлористого натрия, также различаются. Поэтому влияние глинистых минералов на величину проницаемости не ограничивается только монтмориллонитами, хотя можно полагать, что монтмориллониты сильнее влияют на проницаемость, чем другие глинистые минералы. Согласно фон Энгельгардту и Танну, глинистые минералы по уменьшению степени влияния на проницаемость располагаются в следующем порядке: монтмориллонит, иллит, каолинит. Фиг. 6-4 позволяет установить эти различия глинистых минералов по отношению к рассолам с разной концентрацией хлористого натрия. Кроме того, кривые показывают, что различие глинистых минералов в отношении проницаемости исчезает по мере увеличения концентрации раствора хлористого натрия. Данные фиг. 6-4 получены для кварцевого песка, содержащего 4% глины. На консолидированных природных образцах с различными количествами глинистого материала могут быть получены несколько иные результаты.

Согласно Додду и др., влияние монтмориллонита видно резче в песках с низкой проницаемостью. Иначе говоря, в сильно проницаемых песках могут быть встречены глинистые минералы, сильнее разбухающие. Многие исследователи отмечают, что применение при операциях по законтурному заводнению вод, близких по составу к пластовым водам, почти не меняет проницаемости пород. Новак и Крюгер отметили, что поливалентные катионы в растворах вследствие их тенденции к коагуляции глины способствуют сохранению более высокой проницаемости пород, чем одновалентные. Хьюгес показал, что воды с низким pH способствуют сохранению высокой проницаемости пород и что изменение pH в вытесняющих водах может обусловить резкое изменение проницаемости пород (фиг. 6-5).

В многочисленных работах по составу глинистых минералов пород-коллекторов указывается, что глинистые минералы играют очень большую роль при эксплуатации месторождений. Бейтс и др. показали, что в брэдфордских песках верхнего палеозоя в Пенсильвании преобладает иллит, в небольших количествах присутствуют также каолинит и монтмориллонит. Хьюгес и Нэхин и др. обнаружили, что третичные продуктивные горизонты в Калифорнии содержат монтмориллонит, каолинит и иллит, а также другие разбухающие глинистые минералы. Согласно Моррису и др., монтмориллонит — преобладающий глинистый минерал в продуктивных горизонтах нефтяных бассейнов Калифорнии.

Додд и др. определили глинистые минералы около 90 образцов керна, представляющих коллекторы различного геологического возраста из разных районов. По их наблюдениям, пески содержат в переменных количествах иллит, хлорит, каолинит и разбухающие минералы, при этом пески пермского возраста из западного Техаса — единственные домезозойские породы, в которых обнаружены разбухающие глинистые минералы. Согласно неопубликованным данным автора и его прежних коллег из Геологической службы штата Иллинойс, в палеозойских продуктивных толщах Иллинойса глинистые минералы представлены иллитом, хлоритом и отчасти каолинитом; монтмориллонит в них совершенно отсутствует или его очень мало.

Определений состава глинистых минералов пока еще мало, чтобы делать широкие обобщения; однако кажется установленным, что в мезозойских и третичных бассейнах присутствует монтмориллонит, который, видимо, является здесь преобладающим глинистым минералом, тогда как в палеозойских осадках монтмориллонита нет или очень мало. Это согласуется с наблюдениями, говорящими, что монтмориллонит в отложениях древнее мезозоя встречается редко.

Обобщение некоторых данных позволяет сделать вывод о том, что трехслойные глинистые минералы (в отличие от каолинита и галлуазита), вероятно, приурочены к морским отложениям. Поскольку нефтяные бассейны так же приурочены к морским отложениям, каолинит и галлуазит встречаются реже, чем другие глинистые минералы. Однако и в этой закономерности есть исключения; о некоторых из них уже сообщалось. Фон Энгельгардт и Танн изучили керны мелового возраста, в которых каолинит преобладал, а Уитер-спун недавно исследовал кембрийские нефтеносные пески, каолинит в которых был, по-видимому, единственным глинистым минералом.

Кульбицкий определил обломочный иллит и каолинит в некоторых докембрийских породах-коллекторах Северной Африки. Полагают, что нефть, попавшая в коллектор примерно в юрский период, сопровождалась paссолами, которые частично изменили каолинит во вторичный иллит. Расшифровка истории этого глинистого минерала оказала большую помощь при поисковых работах.



Глинистая составляющая коллекторов нефти, по-видимому, оказывает влияние на изменение их проницаемости для водных растворов, двигающихся различными путями. Молекулы воды могут адсорбироваться на поверхностях глинистых минералов, вследствие чего уменьшается эффективный размер пор и движение жидкости затормаживается из-за взаимодействия адсорбированной воды и жидкости. Вода, адсорбированная непосредственно на поверхностях глинистых минералов, представлена ориентированными молекулами воды, прочно связанными водородными связями с поверхностью глинистых минералов. Эти ориентированные молекулы ведут себя как частицы самой горной породы и уменьшают размер пор. По мере удаления от поверхности глинистых минералов степень ориентировки молекул воды понижается, и на некотором расстоянии либо резко, либо постепенно эти ориентированные молекулы сменяются жидкой водой. Можно полагать, что взаимодействие адсорбированной и жидкой воды должно отчетливо проявляться в тех случаях, когда между ними имеются постепенные переходы.

Всем глинистым минералам свойственно ориентировать молекулы адсорбированной воды, хотя эта способность проявляется у них различно. Монтмориллонит, по-видимому, обладает таким свойством особенно высокой степени и имеет наибольшую поверхность, способную к адсорбции. Катионы, адсорбированные на поверхностях минерала, определяют в основном толщину пленки адсорбированной воды и характер перехода этого слоя к жидкой воде. Например, натрий в умеренных количествах способствует образованию толстых пленок адсорбированной воды, постепенно сменяющихся жидкой водой, тогда как кальций способствует образованию более тонких пленок адсорбированной воды (при избытке воды), которые резко переходят к жидкой воде. Натрий в больших количествах, по-видимому, способствует образованию тем меньшей пленки адсорбированной воды, чем ниже его концентрация.

У кальциевого монтмориллонита толщина пленки ориентированных молекул воды, вероятно, равна пяти молекулярным слоям; при этом диаметр пор уменьшается на 30 А. Если натрия мало, эта пленка ориентированных молекул воды в несколько раз толще, а ее самые внешние слои характеризуются относительно меньшей ориентировкой молекул; эти внешние слои и влияют на характер движения жидкой воды.

Всем глинистым минералам присуще свойство адсорбции воды, которое яснее всего проявляется у монтмориллонита. Кроме того, на образование мощной пленки адсорбированных молекул воды сильно влияют даже небольшие содержания натрия, особенно в том случае, когда присутствуют в основном разбухающие глинистые минералы.

Если исходить из теоретических предпосылок, то можно указать еще один путь воздействия глинистых минералов на проницаемость коллекторов, а именно их диспергируемость в воде. Так, частицы глинистых минералов могут диспергироваться и выноситься из места их первоначального залегания вместе с движущейся жидкостью и оседать где-либо в другом месте. Фон Энгельгардт и Танн рассмотрели это явление с точки зрения коллоидной химии. Гриффитс отметил, что в ненарушенных коллекторах частицы глинистых минералов находятся в равновесии с ,пластовыми водами, которые, по-видимому, минерализованы и содержат натрий. Хорошо известен факт, что присутствие умеренных количеств натрия способствует диспергации глинистых частиц, тогда как большие концентрации натрия и многовалентные катионы способствуют коагуляции глинистых минералов. С другой стороны, диспергация приводит к тому, что частицы глинистых минералов отделяются одна от другой и могут быть взнесены из места их первоначального залегания. Поэтому если приток пресной воды понижает концентрацию натрия, то могут возникать условия, благоприятные для диспергации глинистых минералов. Увеличение концентрации рассола или содержания многовалентных катионов способствует коагуляции и уменьшению выноса частиц глинистных минералов, что могло бы повлечь за собой закупорку пор и уменьшение проницаемости пород.

Диспергируемость присуща всем глинистым минералам. Разбухающие глинистые минералы обладают еще одной особенностью: при их диспергации частицы отделяются одна от другой и в свою очередь расщепляются по плоскостям спайности на исключительно тонкие чешуйки. Способность к такому расщеплению зависит от природы адсорбированных катионов. Расщеплению частиц способствует натрий, присутствующий в умеренных количествах, тогда как в больших количествах он, а также многовалентные катионы препятствуют расщеплению частиц.

Известно, что разбухающие глинистые минералы имеют тенденцию к образованию межслоевой адсорбированной воды, причем толщина пленки такой воды находится в равновесии с катионами, как адсорбированными, так и присутствующими в окружающей воде. Изменение состава катионов, видимо, приведет к нарушению этого равновесия и облегчит расщепление частиц на более тонкие чешуйки. Этим можно объяснить, почему сохранение неизменности состава пластовых вод — самый надежный путь сохранения проницаемости пород при заводнении нефтеносных площадей.

Некоторые экспериментальные работы, особенно работа Хьюгеса, результаты которых приведены на фиг. 6-5, указывают на то, что при изменении состава вод проницаемость может преобретать прежнее значение. Это кажущееся восстановление проницаемости находится в противоречии с тем, что при диспергации происходит переотложение частиц глинистых минералов. Можно предположить, что это переотложение имеется не всегда, хотя теоретически его возможность не вызывает сомнений.

Глинистые минералы могут адсорбировать органические вещества, особенно полярные. Углеводороды, видимо, не адсорбируются глинистыми минералами, хотя Иордан показал, что после адсорбции ионных и полярных молекул органических веществ глинистые минералы могут взаимодействовать с углеводородами. Небольшие количества таких органических соединений могут сильно влиять на фиксацию углеводородов в коллекторах. Можно предположить, что органические молекулы другого строения будут уменьшать интенсивность фиксации углеводородов. Так, небольшие количества различных органических молекул, пластовых вод, добавленные к нагнетаемым водам, могут способствовать освобождению углеводородов из коллекторов. Кроме того, среди органических веществ можно выделить вещества, способствующие диспергации или коагуляции частиц глинистых минералов. Смут показал, что некоторые глинистые минералы, особенно разбухающие и деградированные трехслойные минералы, в миссисипских песках в Иллинойсе сильно поглощают некоторые органические вещества сырой нефти. Образующиеся органо-глинистые комплексы стремятся коагулировать. Следует тщательно следить за тем, чтобы какие-нибудь добавки к циркулирующим водам не разрушили эти комплексы и не привели бы к диспергации глинистых частиц.