Аннотация 2
Введение 4
1 Генезис порового пространства 12
1.1 Генезис пористости карбонатных пород 12
1.2 Генезис пористости терригенных пород 16
2. Объекты для исследования 21
2.1 Пористый мергель со следами ихногенной пористости 21
2.2 Песчаный коллектор Ашальчинского месторождения
высоковязких нефтей 31
2.3 Искусственный цементный камень 36
3 Методы исследования пористости 40
3.1 Гидравлические методы исследования 40
3.2 Сорбционные методы исследования 43
3.3 Электромагнитные методы 46
3.4 Ионизирующие методы 47
3.5 Пневматические методы 49
3.6 Визуально-оптические методы исследования 50
4 Рентгеновская компьютерная томография 57
4.1 История и применение рентгеновской микротомографии 57
4.2 Основы работы рентгеновской компьютерной микротомографии 58
5 Методика измерений 1D, 2D, и 3D размеров пор 61
6 Логнормальный закон распределения и усеченная выборка 70
7 Результаты измерений 1D, 2D и 3D размеров пор 75
Заключение 89
Список использованной литературы
Купить

Пройденные практики. За время обучения в магистратуре я прошел производственную (научно-исследовательскую) и преддипломную практики на кафедре общей геологии и гидрогеологии ИГиНГТ, находящейся по адресу г. Казань, ул. Кремлевская, д. 4/5. За время прохождения практик я подробно занимался изучением пористости горных пород. Изучал их генезис, методы определения пористости. Освоил методику и результаты компьютерной обработки серии микрофотографий шлифов с целью изучения конфигурации пористого пространства.
Для более наглядного изучения пористости и ее природы, а также для сбора информации о геолого-геофизическом материале, во время прохождения практики посетил учебный полигон, который входит в состав Тетюшского и Камско-Устьинского районов Республики Татарстан. Также одной из целей поездки являлось освоение методов систематизации и обработки фактического материала при решении теоретических и прикладных задач, связанных с пористостью пород.
Полигон обладает высокой информативностью и уникальностью, приковывая внимание геологов. Геологические разрезы полигона, доступные для непосредственного наблюдения и исследования позволяют изучить всю информацию о видах и масштабах развития порового пространства. Мы знаем, что образование и генезис порового пространства зависит от многих причин, на полигоне можно наблюдать множество современных физико-геологических процессов, вызванные циркуляцией подземных вод в трещинно-карстовых поровых коллекторах и т.д.
Результатом практик было большое количество информации о процессах литогенеза, поровом пространстве о геолого-геофизических методах исследования осадочных пород.
Пористость является одним из важнейших параметров, характеризующих пористые материалы.
Выбранные объекты в работе для исследования имеют осадочное (карбонатное и терригенное), происхождение. Более трёх четвертей площади материков покрыто осадочными породами, поэтому с ними наиболее часто приходится иметь дело при геологических работах. Кроме того, с осадочными породами связана подавляющая часть разрабатываемых месторождений полезных ископаемых, в том числе нефти и газа [13], [4].
Поровое пространство терригенных и карбонатных пород имеют различное происхождение.
Карбонатные породы обычно содержат систему с несколькими видами пористости, которые характерно передают петрофизическую неоднородность породы [14]. Следовательно, конкретные типы и относительные проценты присутствующих пор и их распределение в горных породах оказывают сильное влияние на характеристики карбонатной породы [15], [16], [17], [18], [19]. Типы пор в карбонатных породах обычно можно классифицировать на основе времени эволюции пористости [20]: первичные поры (или пористость осаждения), которые представляют собой поры, присущие вновь осажденным отложениям, и частицы, которые включают их. Такие типы пор включают в себя межзерновые поры (interparticle), например, в карбонатных песках (но также и в глинистых карбонатах), внутризерновые (intraparticle) поры (внутри частиц, таких как фораминиферы), фенестральные поры (образованных газовыми пузырьками и усадкой отложений в плитчатых известняках) и др. Вторичные поры представляют собой поры, которые образуются в результате более поздних, постседиментационных, стадий литогенеза [13]. Такие типы пор включают все упомянутые выше поры, но только тогда, когда можно продемонстрировать, что первичные поры, были позже зацементированы и имеются следы растворения этого цемента (эксгумированные поры [13]), а также крупные каверны и трещины растворения.
Поскольку естественная тенденция в большинстве карбонатных осадков заключается в том, что первичная пористость существенно снижается при цементации и уплотнении при литификации [21], многие ученые утверждают, что большая пористость в известняковых и доломитовых породах имеет вторичное происхождение пористости [14]. Исключениями из этого утверждения являются случаи, когда первичная пористость сохраняется из-за раннего поступления углеводородов в поры [22].
Одновременно с заложением седиментационных структур и текстур терригенных пород происходит и формирование первичной (седиментационной) пористости. По экспериментальным данным в хорошо отсортированных песках. В ряде случаев, например для речных песков, наблюдается обратная зависимость. По-видимому, это обусловлено характером упаковки зерен, т.е. их текстурными признаками.
В их составе преобладают песчаные и алевритовые частицы, в подчиненном количестве - глинистые фракции. Бывают и чисто песчаные коллекторы, сцементированные и несцементированные (песок - песчаник). Разная пористость связана с разной укладкой зерен в терригенной породе. Теоретическая пористость (при идеальной шарообразной форме зерен и равном их диаметре) может составлять 25,8%, 36,7% и 47,6%. Реальная пористость существенно меньше из-за разных размеров частиц, присутствия цемента. Максимальная пористость - у хорошо окатанного отсортированного несцементированного песка.
На больших глубинах (свыше 4-5 км) отмечается значительное повышение пористости даже в глинистых коллекторах. Оно обусловлено действием высоких давлений и температур: 1) развитие трещиноватости, 2) частичное растворение зерен цемента. Такая пористость называется вторичной, с ней связываются значительные перспективы, т.к. распространяется она на большие глубины, чем первичная пористость - до 5-7 км [23].
Пористость сама по себе является довольно простым параметром для ее определения но, главный вопрос остается до сегодняшнего времени все еще актуальным, каким методом лучше измерять. Причина в том, что пустотное пространство в материалах, может занимать более 8 порядков по длине (рисунок 1). И на сегодняшний день нет ни одного метода, который мог бы адекватно покрыть этот огромный диапазон в масштабе [1].
На данный момент времени известно большое число экспериментальных методов [1]. Обычно в научной практике методы измерения пористости классифицируются на разрушающие (приводят к утрате эксплуатационных, технологических, механических и др. свойств образца), и неразрушающие.
К разрушающим методам можно отнести: жидкостную, ртутную и газовую порометрию, метод проницаемости, газодинамические методы, капиллярные и сорбционные методы. Все эти методы требуют предварительной подготовки образца для удаления из порового пространства пластовых флюидов и буровых растворов, а также высушивания образцов, и, часто, предварительного насыщения жидкостью при измерении проницаемости.
К неразрушающим относятся методы непосредственного наблюдения пор. В основном все методы основаны на измерении физических свойств пористых сред, обусловленных наличием открытой пористости.
С развитием микроскопических методов высокого разрешения, а также цифровых технологий получения и обработки изображений, все большую актуальность приобретают визуальные методы измерения геометрических характеристик пор для описания реальной структуры порового пространства. Методы оптико-микроскопического и электронно-микроскопического анализа в основном используются для анализа плоских сечений образцов. Суть методов заключается в измерении линейных размеров пор [11], или зерен [34], в плоскости среза материала (шлифов и пришлифовок) и вычислении на основании полученных результатов геометрических линейных (1D) и площадных (2D) характеристик поровой структуры. В последние годы стал применяться метод микротомографического анализа, который позволяет изучать открытые и закрытые поры в равной степени. Метод рентгеновской компьютерной микротомографии позволяет получать трехмерные изображения внутренней структуры пористых сред, из которых произвольно могут быть выделены и проанализированы отдельные плоские срезы. Мы можем полностью визуализировать породу в 3D и 2D изображения и рассчитать все ее свойства, выделить трещины, поры, каверны, включения, а также неоднородности, различные слои породы и дифференциацию плотности [42].
Актуальность. Изучением порового пространства всесторонне занимаются многие отечественные и зарубежные авторы. Это подтверждается ростом числа публикаций в базе данных научно-технических журналов и цитирований Scopus. Например, количество работ по всем наукам, имеющие фразу «распределение пор по размерам», с 2002 по 2017 года равняется 30961 работам. И если построить график, то с 2002 по 2017 года он стремительно возрастает. Если же рассмотреть те же условия, но только в категории «науки о Земле», то количество работ равно 3339, и график также стремительно возрастает, особенно это наблюдается в последние 3-5 лет.
Несмотря на большое внимание ученых к исследованию порового пространства, на сегодняшний день имеется много вопросов и задач, которые необходимо экспериментально изучить.
Методы исследования, цели и задачи изучения порового пространства у различных авторов сильно разняться. Нас интересуют два основных вопроса, какими методами можно изучить поровое пространство и как распределяются поры по размерам в осадочных породах. Для изучения этих вопросов было изучено много схожих работ. В работе [8] изучено распределение пористости и проницаемости осадочных пород, и с помощью математического анализа, сделан вывод, что распределение пористости имеет нормальное распределение. Также была изучена работа [43], в которой утверждается, что распределение частиц горной породы при дроблении подчиняется логнормальному закону. В работе [30] изучено распределение пор по их радиусам методом ртутной порометрии, в которой было успешно решено, что распределение пор по их радиусам можно описать логнормальной функцией распределения. В работе [1], изучено распределение нанометровых пор методом электронной микроскопии, авторы также, как многие другие, пришли к выводу, что распределение пор подчиняется логнормальному закону распределений.
Подводя итог, можно сказать, что основными количественными характеристиками структуры порового пространства являются: 1) коэффициент пористости, 2) средний радиус пор, 3) интегральная и дифференциальная функции распределения объема пор по размерам [24]. Вопросы, какой метод является лучшим для исследования пористости и какому закону она подчиняется, остаются до сих пор актуальными и научно значимыми. Свидетельством этого является рост числа публикация, посвященных данной проблеме в «международной базе данных Scopus» (рисунок 2).
Таким образом, исследование структуры порового пространства горной породы и ее природы, определения минерального состава, генезис образования в них зёрен и минеральных агрегатов является одной из наиболее актуальных и широко распространённых задач.
Основная цель работы - выявление законов распределения пор по размерам на основе компьютерной обработки томографических изображений.
Задачи работы:
1. Подбор модельных объектов для исследования;
2. Выбор программных средств для измерений размеров пор по 1D, 2D и 3D микроизображениям;
3. Освоение методик количественной обработки полутоновых изображений;
4. Проведение измерений размеров пор;
5. Статистическая обработка полученных данных и проверка гипотез о типах распределения пор по 1D, 2D и 3D размерам.
Научная значимость. В связи с ростом роли геологии в развитии человечества, идет активное развитие и рост исследований микроструктуры естественных и искусственных материалов на основе рентгеновской микротомографии. Компьютерная микротомография позволяет исследовать горные породы рентгеновским методом, основанным на различии в плотности горной породы, минеральных включений, пустот и трещин, и заполняющих их пластовых флюидов, которые в последнее время интенсивно используются в петрофизических исследованиях многих ученых. Главным преимуществом и актуальностью является то, что метод компьютерной микротомографии позволяет проводить измерение не разрушая исследуемый образец. В результате рентгеновской томографии получают 3D распределение плотности образца в объеме, которое дает нам информацию о структуре горной породы и распределении пор и включений [3].
Сравнительная новизна метода обработки трехмерных микрофоторафий горных пород несет в себе большой объем новой информации, которая нуждается в новых научно-обоснованных и хорошо проработанных методах исследования и обработки. Перед ученными на данный момент особенно значима задача систематизации и анализа микротомографической информации о морфологии и минеральном составе пород на микроуровне. В настоящее время методы для такой систематизации и анализа находятся в начальной стадии развития.
Практическая значимость. Сведения о микроструктуре пород, а именно их порового пространства, необходимы и используется в качестве экспериментальной основы для множества теоретических и прикладных исследований. Если говорить о гидродинамическом моделировании, то можно сказать о моделировании нефтяных и газовых месторождений [4], [40] процессов геофильтрации и геомиграции подземных вод [1]. Если говорить об инженерной геологии, то пористость является одним из важных свойств грунтов и служит фактором формирования опасных инженерно-геологических процессов, например активному протеканию карстовых процессов [48]. Это говорит нам о том, что пористость необходимо вычислять на подготовительном этапе проекта строительства. Пористость в грунте — нужно понимать, как определенное количество мелких пустот в грунте [2]. Например, если говорить о несущей способности грунтов, то она пропорционально зависит от пористости в изучаемом образце. При увеличении коэффициента пористости в грунте уменьшается и его несущая способность (степень сжатия под воздействием внешней нагрузки). Коэффициент пористости является одним из главных параметров определяющих фильтрационно-емкостные свойства грунтов [30]. Нельзя не сказать и о роли пористости в нефтяной и газовой отрасли. Изучение порового пространства породы продуктивного пласта необходимо для экономически эффективной разработки и эксплуатации месторождений Тем более, в последнее время, по мере истощения легкоизвлекаемых запасов, возрастает роль нетрадиционных коллекторов, например, битумных песков, методики исследования пористости и проницаемости которых общепринятыми методами невозможны (рассыпаются).
Приведенные примеры необходимости изучения пористости на микроуровне не являются исчерпывающими, их множество, но они нуждается в новых научных методах обработки, которыми мы и собираемся заняться в нашей научно—исследовательской работе.
Объекты и методы исследования. Поставленные задачи решались на основе научного анализа и обобщения опыта изучения конфигурации пористого пространства с помощью методов изучения пористости, изучения распределения пор по размерам. Исследования проводились на современном оборудовании и, с помощью передовых программных комплексов. Обработка результатов производилась методами математического анализа. Модельными объектами для исследования и анализа структуры порового пространства послужили три осадочных породы, пористый мергель со следами ихногенной пористости, песчаный коллектор Ашальчинского месторождения высоковязких нефтей и искусственный цементный камень.
Купить