Structura spatiului de pori din rocile colectoare

Structura spatiului de pori din rocile colectoare

Porii rocii formeaza un spatiu continuu, un adevarat labirint, o retea tridimensionala de canale total neuniforme. Rocile de precipitatie fisurate au o dubla retea: cea a porilor matriciali si cea a fisurilor.

Prima întrebare care se ridica este urmatoarea: ce reprezinta un por. O prima acceptiune este aceea ca un por reprezinta spatiul dintre doua ramificatii (noduri) succesive în reteaua de goluri a rocii. Aceasta definitie are un caracter intuitiv si raspunde multor necesitati de descrie 646g62g re a retelei de pori.

Analizele microscopice, au aratat ca exista modificari importante ale sectiunii transversale între doua noduri ale retelei de pori. Mai mult, un nod al retelei are, uneori, un volum considerabil, comparabil cu cel al spatiului dintre noduri.

Descrierea geometrica a porilor este imposibila. Cuantificarea diverselor fenomene fizico-chimice care se petrec în roca (interactiunea dintre roca si fluidele continute, curgerea si dezlocuirea fluidelor de zacamânt etc.) necesita descrierea dimensionala a porilor. Impasul creat poate fi depasit prin idealizarea formelor reale cu corpuri geometrice regulate.

Fisurile reprezinta o categorie speciala de pori. Caracteristica lor esentiala este o dezvoltare mare pe doua directii si una mica pe cea de a treia dimensiune. Fisura poate fi idealizata cu spatiul dintre doua plane paralele sau neparalele, dupa cum exista sau nu variatii mari a celei de a treia dimensiuni. Caracterizarea dimensionala a fisurilor se face prin deschiderea fisurii care este înaltimea sectiunii transversale.

O caracteristica de prim ordin a spatiului de pori este neuniformitatea acestuia. Sunt mai multe scari la care se refera neuniformitatea.

Cea mai mica este scara microscopica, care are în vedere porii individuali sau elemente de volum mici, cu o lungime caracteristica de zeci de microni.

Urmeaza scara macroscopica, cu elemente de volum având o lungime caracteristica de ordinul milimetrilor, pâna la 10 cm; o scara intermediara cu o lungime caracte-ristica de pâna la 1 m, apoi scara mega, cu o lungime caracteristica de pâna la 100 m si ultima scara, cea mai mare, scara regionala.

Distributia porilor pe dimensiuni

Dupa stabilirea semnificatiei marimii porilor, pasul urmator este evidentierea frecventei cu care pori de diferite dimensiuni sunt întâlniti într-o roca, adica, determinarea distributiei porilor pe dimensiuni, denumita în mod curent distributia poromeritica. Exista o analogie perfecta între distributia granulometrica si distributia poromeritica.

Indiferent de definitia acceptata pentru pori (incluzând aici si fisurile) observatiile experimentale arata ca rocile colectoare au, cel mai frecvent, pori cu dimensiuni cuprinse în intervalul 1...1000 mm. Contributia porilor de diferite dimensiuni la volumul de pori comunicanti ai rocii difera foarte mult de la un tip de roca la altul. Ca si în cazul distributiei granulometrice, este necesara folosirea claselor de dimensiuni, respectiv a scarilor poromeritice.

Frecventa porilor dintr-o clasa poromeritica, fi , reprezinta fractia din volumul de pori cu dimensiuni cuprinse în acea clasa:

Parametri de structura ai spatiului poros

Gradul de interconexiune b, reprezinta numarul total de pori cu care este în legatura directa, la ambele capete, un anumit por. La retelele regulate de pori, b are o valoare constanta. Spre exemplu, re-teaua simplu hexagonala are b 4, iar reteaua patratica are b

Indicele structural de dificultate, D, este definit prin relatia:

D

în care Dcs si Dcv reprezinta razele medii ale constrictiilor (gâtuiturilor), respectiv a partilor largi (cavitatilor).

Tortuozitatea t reprezinta raportul dintre lungimea reala de parcurs dintre doua puncte arbitrare, asezate pe directia de curgere si distanta dintre cele doua puncte.

Curgerea omogena prin rocile colectoare

Curgerea fluidelor prin roci este posibila datorita prezentei porilor comunicanti. Curgerea omogena se refera la curgerea unui fluid printr-o roca (sau, în general, printr-un mediu poros) în absenta altui fluid sau, alfel spus, curgerea omogena presupune saturatia completa cu un singur fluid.

Curgerea va fi abordata la scara micro si scara macro. În zacamintele de hidrocarburi viteza de curgere a fluidelor este foarte mica.

Pentru a obtine o imagine asupra vitezelor de curgere din zacaminte se considera urmatorul exemplu: o sonda produce titei cu un debit de 50 m3/zi (un debit relativ mare pentru conditiile din România) dintr-un strat cu grosimea de 10 m (o grosime comuna). Viteza titeiului este de ordinul a 0,4 mm/s lânga sonda si de 0,4 mm/s la distanta de 100 m de sonda (cca 3,5 cm/zi). La aceasta viteza, este necesar un timp de mai multi ani pentru ca titeiul sa ajunga în sonda de la distanta de 100 m!

La astfel de viteze, regimul de curgere este laminar. O exceptie o reprezinta curgerea din apropierea sondelor de gaze care produc cu debite foarte mari (de ordinul sutelor de mii de m3N/zi), unde curgerea este turbulenta.

În cele ce urmeaza, va fi studiata curgerea pe o retea cu cinci pori, dispusi sub forma literei N, ca în figura. Curgerea va avea loc în sensul de la porii a si c la porii b si, respectiv d, deoarece presiunea la intrarea în retea, pI, este mai mare decât cea de la iesire, pII.

Se scrie mai întâi legea conservarii debitului în nodurile A si B, adica debitele care intra în noduri sunt egale ce cele care ies:

Prin definitie, conductivitatea hidraulica a unui canal, ci, este raportul dintre debitul si caderea de presiune din canalul respectiv.

Relatia  se poate scrie astfel:

Din relatia anterioara se observa ca pA>pB sau pB>pA, dupa cum numaratorul este pozitiv sau negativ. Altfel spus, curgerea are loc de la A spre B dar si invers, desi figura ar sugera ca sensul curgerii este numai de la A spre B datorita orientarii acestui canal în raport cu directia de curgere la scara macro.

Din punct de vedere fizic, curgerea în porul e este determinata, de presiunile din retea si de geometria canalelor. În schimb, sensul curgerii este determinat numai de geometria porilor vecini. Astfel, miscarea poate fi chiar în contrasens fata de miscarea la scara macro.

Curgerea omogena la scara macro. Permeabilitatea absoluta

Descrierea curgerii omogene prin medii poroase este de data foarte veche (Darcy, 1856). S-a o relatie empirica între viteza de filtratie (de curgere) si gradientul de presiune care determina curgerea. Viteza de curgere vf , reprezinta raportul dintre debitul de fluid Q si aria bruta Ab prin care are loc curgerea:

Pentru ca în acest capitol se va pune accent pe aspectul fizic al curgerii omogene, va fi luat în discutie cazul cel mai simplu: curgerea omogena stationara unidimensionala a unui fluid care-si conserva proprietatile (în special densitatea-fluid incompresibil) printr-o proba de roca izotropa, cu sectiunea constanta, aflata în pozitie orizontala (pentru a neglija efectul gravitatiei).

Parametrul k a fost denumit coeficient de permeabilitate absoluta sau, mai scurt, permeabilitate absoluta . Acesta reprezinta un coeficient de proportionalitate între viteza de curgere si gradientul de presiune. El cuantifica influenta structurii interne a rocii asupra curgerii. Este un parametru global, reprezentând efectul combinat al marimii, formei, distributiei pe dimensiuni a porilor, al indicelui structural de dificultate, al gradului de interconexiune si al tuturor celorlalti parametri de structura ai rocii si este independent de fluidul care curge.

Permeabilitatea absoluta este o constanta pentru o roca. Din punct de vedere fizic, permeabilitatea absoluta reprezinta o masura a rezistentei rocii la curgerea monofazica a fluidelor. 

Dimensiunea permeabilitatii este aceea a unei suprafete. Aceasta rezulta din considerente de omogenitate dimensionala a legii lui Darcy si nu din considerente de ordin fizic. Unitatea de masura este m2 sau, în mod obisnuit Darcy-ul: 1 D = 1 mm2 = 10-12 m2. Înca mai folosit este mili-Darcy-ul (mD).

Deoarece permeabilitatea difera în functie de directia de curgere, de obicei se folosesc doua valori ale permeabilitatii: în cazul rocilor detritice permeabilitatea pe directie paralela si, respectiv, perpendiculara pe planul de stratificatie, iar în cazul rocilor fisurate permeabilitatea matricii, respectiv, a fisurilor.

Influen a cea mai mare asupra permeabilita ii unei roci o are dimensiunea porilor i/sau a fisurilor. Facând o paralela între curgerea printr-o roca i curgerea printr-un capilar cilindric sau printr-o fisura, se ajunge la urmatoarele rela ii pentru "permeabilitatea" unui capilar, respectiv a unei fisuri:

Revenind la rocile detritice, sa spunem ca daca ele sunt alcatuite din granule de dimensiune mare, spatiile dintre granule vor fi si ele mari, iar ele vor avea o permeabilitate mai mare decât cele alcatuite din granule de dimensiuni mici. Neuniformitatea distribu iei granulometrice duce atât la o porozitate mica prin interpunerea granulelor mici printre cele mari, cât i la o permeabilitate mica prin scaderea dimensiunii porilor.

O influenta considerabila asupra permeabilita ii absolute a rocilor prin care are curge apa este prezen a mineralelor argiloase. Efectul de mic orare a permeabilitatii este datorat umflarii i dispersiei particulelor de mineral

Influenta porozitatii asupra permeabilitatii necesita o discutie detaliata. În general, o roca cu o porozitate efectiva mare are si o permeabilitate absoluta mare. Nu exista o relatie directa între porozitate si permeabilitate. Exista doar o tendinta.

Determinarea permeabilitatii absolute

Permeabilitatea absoluta a rocilor se poate determina pe cale directa (în laborator) sau pe cale indirecta (metode geofizice i de cercetare hidrodinamica a zacamintelor). Pentru determinarea în laborator, probele de roca trebuie sa fie reprezentative i corect pregatite.

Dificultatea cea mai mare apare la determinarea permeabilitatii absolute a rocilor fisurate.

În primul rând, deschiderea fisurilor se modifica în mod considerabil în procesul de carotare, transvazare si prelucrare a carotelor.

În al doilea rând, directia de curgere influenteaza în mod considerabil permeabilitatea, mai ales daca exista o directie predominanta de fisurare. Ceea ce se poate determina cu o exactitate acceptabila este permeabilitatea matriciala, prin separarea unei probe cuprinsa între fisuri.

Efectul de umflare are loc în rocile care contin minerale argiloase unde, prin folosirea apei pentru determinarea permeabilitatii, se produce un dezechilibru, în special prin umflarea acestor minerale si diminuarea sectiunii de curgere. În aceste cazuri este recomandata folosirea gazelor sau a produselor petroliere.

Cel mai interesant este efectul de alunecare, numit si efectul Klinkenberg, care apare la determinarea permeabilitatii absolute cu gaze la presiune mica. El se manifesta mai pregnant la rocile cu pori fini.

Datorita acestui efect, valoarea masurata prin folosirea unui gaz la presiune mica este mai mare decât cea determinata cu gaz la presiune mare sau cu lichid, adica fata de valoarea reala.

Explicatia rezida în aceea ca legea lui Haggen-Poiseuille, respectiv legea lui Darcy, legi de curgere liniare în raport cu debitul de curgere si diferenta de presiune care-l genereaza îsi pierd valabilitatea.

Curgerea gazelor rarefiate este guvernata de legea lui Knudsen, dupa care, când drumul liber mijlociu al moleculelor este de acelasi ordin de marime cu spatiul prin care acestea se deplaseaza, curgerea nu mai depinde de vâscozitatea gazelor, ci de densitatea lor.

Altfel spus, scade efectul frecarii interne (vâscozitatii gazului) asupra curgerii, consumul de energie fiind dat, cu precadere de frecarea gazului cu roca. Cu cât presiunea gazului este mai mica si porii sunt mai fini, cu atât scade efectul ciocnirilor dintre molecule (al vâscozitatii gazului) în raport cu ciocnirile dintre molecule si suprafata interna a rocii.

Determinarea permeabilitatii absolute in situ prin metode hidrodinamice este posibila numai în cazul în cazul când sonda deschide acviferul zacamântului sau în cazul particular al zacamintelor de apa.

Se face o confuzie grava atunci cînd se folosesc date de presiune înregistrate la începutul exploatarii pentru "determinarea" permeabilitatii absolute.

Este o chestiune de principiu: la momentul initial, chiar daca presiunea este mai mare decât presiunea de saturatie, în zacamânt sunt prezente doua faze: apa ireductibila si titei sau, dupa caz, apa ireductibila si gaze. În consecinta, curgerea nu este niciodata omogena într-un zacamânt de hidrocarburi, iar conceptul de permeabilitate absoluta nu are semnificatie pentru cercetarea hidrodinamica a zacamintelor.