Удельная поверхность

Под удельной поверхностью (S_уд) горных пород понимают суммарную поверхность всех её зёрен (S) в единице объёма породы (V) или суммарную свободную поверхность частиц в единице объёма, м²/м³:

S_уд = S/V. (1.45)

Удельная поверхность характеризует степень дисперсности породы,более обобщенно, чем гранулометрический состав. В отличие от гранулометрического состава величина удельной поверхности выражается одним численным значением, а не функцией распределения фракций. Тем не менее, от величины удельной поверхности нефтеносных пород зависят их проницаемость, содержание остаточной, связанной воды и нефти. Соотношение водо-, нефтенасыщенности, степень проявления молекулярно-поверхностных и капиллярных сил при движении пластовых жидкостей в пористой среде и фильтрационная способность зависят, с одной стороны, от физико-химических свойств жидкости, а с другой, от гранулометрического состава, структуры порового пространства, коэффициента пористости пласта и удельной поверхности.

Если пористая среда, через которую идёт фильтрация жидкости, крупнозернистая с относительно небольшой удельной поверхностью, роль молекул жидкости, адсорбированных на поверхности зёрен и защемлённых в углах их контакта невелика. Число молекул жидкости, связанных с породой, соизмеримо мало с числом молекул жидкости, которые движутся в порах породы.

Если пористая среда, через которую происходит фильтрация жид­кости, тонкозернистая и имеет большую удельную поверхность (на­пример, глины), то число поверхностных молекул жидкости возрастает и становится соизмеримым с числом молекул жидкости, перемещаю­щихся в объёме порового пространства. В этом случае молекулярно-по­верхностные силы начинают играть значительную роль.

С увеличением дисперсности, уменьшением диаметра зёрен и коэффициента пористости удельная поверхность породы возрас­тает: S_уд↑ → f(D↑, d_з↓, m↓).

Наибольшую удельную поверхность имеют глины. Чем больше мелких частиц пород в гранулярных коллекторах, а следовательно, и мелких пор, тем больше их удельная поверхность.

Удельная поверхность нефтесодержащих пород нефтяных месторождений, имеющих промышленные значения, составляет огромные величины: от 40000 до 230000 м²/м³. Это связано с тем, что отдельные зёрна породы имеют небольшой размер и достаточно плотно упакованы. Исходя из условий, что частицы имеют сферическую форму и, принимая их размер, считается, что удельная поверхность однородной породы составляет для:

· псаммитов менее 95000 м²/м³;

· алевритов 95000–230000 м²/м³;

· пелитов более 230000 м²/м³.

Породы с удельной поверхностью более 230000 м²/м³: глины, глинистые пески, глинистые сланцы и др. являются слабопроницаемыми.

Экспериментально измерить удельную поверхность реальных коллекторов, в силу их неоднородности, очень сложно. Удельная поверхность неоднородной породы, когда ни одна из указанных фракций не достигает 50 %, колеблется в пределах 90000–210000 м²/м³.

Для сравнительных количественных оценок коллекторов было введено понятие "фиктивный грунт". Под фиктивным грунтом понимается коллектор, сложенный частицами шарообразной формы при квадратной или ромбической укладке (рис. 1.9).

В 1 м³ породы такой структуры полная поверхность шаров составит площадь (S) и удельную поверхность, соответственно можно оценить по выражению (1.46):

S_уд = 6·(1–m)/d,(1.46)

гдеS_уд – удельная поверхность, м²/м³;

m – пористость, дол. ед.;

d – диаметр, м.

В коллекторах всегда присутствуют поры различного диаметра. Удельная поверхность зависит и от фазовой проницаемости, и от адсорбционной способности пород. Обычно оценивают удельную поверхность пород по различным эмпирическим соотношениям, функционально зависящим от величин пористости (m) и проницаемости (k_пр), например, по одному из вариантов формул Козени:

(1.47)

Или по соотношению, предложенному К. Г. Оркиным:

(1.48)

где с – поправочный коэффициент.

Физический смысл поправочного коэффициента (с) заключается в учёте отклонения формы частиц от шарообразной. Для реальных коллекторов величина его зависит от величины эффективного диаметра частиц (d_эф, рис. 1.7).