Петрофизические основы ГИС

Южный федеральный университет 

 
Астраханский государственный технический университет 
 
 
 
 
 

 
 
Э.С. Сианисян, В.В. Пыхалов,   В.В.  Кудинов 
 
 
 
 
 
 
ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИС 
 
Учебное пособие 
 
 
для студентов направлений 130100 «Прикладная геология»  
и 130500.62 «Нефтегазовое дело» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону 
 2013 

УДК 552 
ББК 26.3 
     С 34 
 

Рецензент 

доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры минералогии  

и петрографии ЮФУ Хардиков А.Э. 
 
Сианисян Э.С., д.г.-м.н., профессор 
Пыхалов В.В., к.т.н., доцент 
Кудинов В.В., к.г.-м.н., доцент 
 
Петрофизические основы ГИС: учебное пособие/ Сианисян Э.С., 
Пыхалов В.В.,   Кудинов В.В.; Южный федеральный университет. – Ростовна-Дону, 2013. – 124 с. 
 
 
 
Учебное пособие для студентов специальностей 130100 «Прикладная 
геология» и направления ВПО 130500 «Нефтегазовое дело» 
 
В учебном пособии охарактеризованы основные петрофизические 
свойства горных пород. Указано их влияние на физические поля, 
отражающие литологию пород; состав и свойства флюидов, заполняющих 
поровое пространство; фильтрационно-емкостные показатели породколлекторов.  
 
 
 
 
 
 
 

© Южный федеральный университет,2013 
© Астраханский государственный  
    технический университет, 2013 
© Сианисян Э.С., Пыхалов В.В.,   
    Кудинов В.В., 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение……………………………………………………………………….. 
4 
Глава 1. Характеристики порового пространства  горных пород…………. 
7 
Глава 2. Глинистость осадочных горных пород…….………………………. 
14 
Глава 3.  Флюидонасыщенность горных пород …………………………….. 
16 
3.1 Водонасыщение горных пород...………………………..…………. 
16 
3.2 Флюидные включения……………………………………………….
22 
3.3 Нефтегазонасыщение горных пород………………………………. 
26 
Глава 4. Плотность горных пород…………………………………….…….. 
28 
Глава 5. Водородосодержание…………………………………………………
31 
Глава 6. Проницаемость……………………………………………………….. 
32 
Глава 7. Электрические свойства горных пород……………………………. 
38 
7.1 Удельное электрическое сопротивление………………………….. 
38 
7.1.1 Удельное 
электрическое 
сопротивление 
гидрофобных 
водонасыщенных пород……………………………………………. 
39 
7.1.2 Удельное 
электрическое 
сопротивление 
гидрофильных 
водонасыщенных пород………………...…………………………... 
40 
7.1.3 Удельное электрическое сопротивление пород с трещинной и 
каверновой пористостью…………………………………………….
42 
7.1.4 Удельное электрическое сопротивление нефтегазонасыщенных 
пород……………………………………………………………….. 
43 
7.2 Самопроизвольная электрохимическая активность горных пород 
44 
7.3 Вызванная электрохимическая активность………………………...
51 
Глава 8. Магнитные свойства горных пород………………………………….
63 
Глава 9. Радиоактивные свойства горных пород …………………………….
67 
                9.1    Естественная радиоактивность ……………………………….
67 
                9.2    Взаимодействие гамма-излучения с веществом…………….. 
70 
                9.3    Нейтронные свойства горных пород………………………… 
72 
Глава 10. Упругие свойства горных пород…………………………………... 
78 
Глава 11. Тепловые свойства горных пород ………………………………… 
85 
Глава 12. Общие закономерности распределения физических свойств 
горных пород в геологической среде……………………………………….. 
88 
Глава 13. Классификация коллекторов нефти и газа……………………….
93 
Список литературы…………………………………………………………… 
97 
Приложение…………………………………………………………………… 
99 

ВВЕДЕНИЕ 
Петрофизика – наука о физических свойствах горных пород 
(плотность, 
удельное 
электрическое 
сопротивление, 
магнитная 
и 
диэлектрическая 
проницаемость, 
теплопроводность, 
пористость, 
проницаемость  и других характеристиках [23].  
В 
настоящее 
время 
подавляющее 
большинство 
известных 
месторождений углеводородов связано с осадочными горными породами. 
В связи с этим в представленном учебном пособии основное внимание 
уделено изучению физических свойств  осадочных горных пород (в 
дальнейшем -  ОГП).  Физические свойства ОГП связаны с их 
минералогическим, 
флюидальным 
составом, 
текстурно-структурными 
особенностями. Эти факторы определяются условиями седиментации и 
постседиментационными изменениями ОГП. 
Минералогический состав ОГП  определяется составом материнских 
горных пород, обстановкой осадконакопления, диагенетическими и 
постдиагенетическими процессами.  
Материнскими горными породами для ОГП служат магматические, 
метаморфические и первичные осадочные горные породы. 
Магматические горные породы являются продуктом кристаллизации 
остывающего магматического расплава. 
Метаморфические 
горные 
породы 
образуются 
при 
глубоких 
изменениях 
магматических 
и 
осадочных 
пород, 
обусловленных 
воздействием высоких температур, давления, горячих водных растворов и 
других факторов метаморфизма.  
Магматические, первичные осадочные и метаморфические горные 
породы, находящиеся  на поверхности земной коры, подвергаются 
действию процессов выветривания, в результате чего формируется 
осадочный материал, который под воздействием различных геологических 
агентов (вода, ветер, ледники) переносится в бассейн седиментации, где 
аккумулируется с образованием осадка (процесс седиментогенеза). В 
дальнейшем осадки консолидируются с образованием осадочных горных 
пород (процесс диагенеза). 
С 
течением 
геологического 
времени 
ОГП 
погружаются 
на 
определенную глубину. В процессе погружения ОГП могут испытывать 
влияние значительного давления и температуры, подвергаются действию 
агрессивных 
флюидов, 
действию 
внутриплиных 
напряжений 
и 
деформаций. Эти факторы изменяют физические свойства ОГП. 

Так, 
обломочные 
ОГП 
в 
процессе 
своего 
погружения 
под 
воздействием 
давления 
и 
температуры 
испытывают 
значительное 
уплотнение. Если давление превышает предел прочности ОГП, то 
возникают   процессы трещинообразования. Если  горная порода содержит 
легко растворимые компоненты, то под действием агрессивных флюидов 
происходит их вымывание и образование пустот (каверн).  
Флюиды (вода, нефть, газ), заполняя пустоты между зёрнами горных 
пород (скелетом горной породы), привносят в пустотное пространство 
различные примеси, в том числе цементирующие вещества, которые могут 
заполнять пустотное пространство горной породы. 
Любые ОГП в своём составе имеют твёрдую фазу.  
Твёрдая фаза  подразделяется на две составляющие: 
- жёсткую (скелетную), 
- пластичную (глинистую). 
Жесткая 
составляющая 
представляет 
собой 
алевритовую, 
псаммитовую, гравелитовую фракции негидратирующихся минералов.  
Пластичная 
 
составляющая 
образована 
пелитовой 
фракцией 
гидратирующих минералов преимущественно группы глин (каолинит, 
гидрослюды, монтмориллонит и др.). Физические свойства этих двух 
составляющих твёрдой фазы горной породы сильно различаются. 
Жидкая фаза подразделяется на две компоненты: 
1. водная (представлена водными растворами солей),  
2. углеводородная (нефть, конденсат).  
Газовая фаза. В состав газовой фазы входят углеводородные и 
благородные газы, а также почвенный воздух. 
Исследование физических свойств горных пород позволяет изучать 
геологическое строение территории исследования, условия седиментации и 
постсидементационного развития, выявлять скопления углеводородов, 
оценивать их промышленную значимость, определять режимы разработки 
месторождений нефти и газа.  
Между  различными параметрами, характеризующими физические 
свойства горных пород, отмечаются значительные корреляционные связи. 
К примеру, повышение скорости прохождения упругих колебаний 
коррелируется с повышением плотности горных пород; увеличение 
удельного сопротивления горной породы  – с уменьшением пористости, 
либо увеличением нефтегазонасыщения и т.п. [9,11, и др.].  

Определение физических свойств горных пород по комплексу 
параметров 
(электрических, 
радиоактивных, 
тепловых, 
магнитных, 
сейсмических и ультрозвуковых  и др.) в лабораторных условиях позволяет 
сформировать базовые (эталонные) характеристики этих пород.  
Для 
определения 
физических 
характеристик 
горных 
пород 
используются различные лабораторные методы и методики  [10,12,18,19 и 
др.]  исследования образцов (керн, шлам), полученных в процессе 
строительства скважин.  
На 
основе 
этих 
определений 
выявляются 
корреляционные  
зависимости, связывающие физические характеристики горных пород с их 
литологией, 
минералогическими, 
структурными, 
фильтрационноемкостными показателями, степенью флюидонасыщения и составом 
флюидов и т.д. 
Построенные корреляционные зависимости позволяют получать 
информацию о свойствах горных пород и сложенных ими пластов на 
основе 
результатов 
геофизических 
исследований 
разреза 
скважин, 
значительно сократив при этом интервалы разреза, которые необходимо 
освещать керновым материалом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА  
ГОРНЫХ ПОРОД 
Поры горных пород могут быть различными по происхождению, 
форме, размерам и внутренним взаимосвязям. 
По своей форме пустотное (поровое) пространство между зёрнами 
породы 
(скелетом 
породы) 
может 
быть 
крайне 
разнообразным: 
ромбоидальном, 
щелевидным, 
каверновидным, 
трещиновидным, 
каналовидным, 
пузырчатым 
и 
т.д. 
 
Примеры 
наиболее 
часто 
встречающихся типов пористости пород представлены на рисунке 1. 
Формы и размеры отдельных пустот, характер их распределения и 
соотношение объёмов пустот различных размеров, их взаимосвязи, 
извилистость и удельная внутренняя поверхность поровых каналов 
определяют структуру порового пространства породы.  
Поровое пространство может быть представлено порами, трещинами и 
кавернами. По генезису трещины и каверны относятся к пустотному 
пространству вторичного происхождения, то есть образовавшиеся после 
формирования 
горной породы под 
действием 
высоких 
давлений, 
температур, выщелачивания и других причин. 
Поры – пустоты преимущественно округлой формы.  
Трещины - разрывы в горных породах, перемещения отдельных частей 
которых относительно друг друга либо совершенно отсутствуют, либо 
имеют незначительную величину.  
Каверны - пустоты в горных породах размерами более 2 мм. 
По своим размерам поры подразделяются на сверхкапиллярные, 
капиллярные и субкапиллярные [15,3,11]. К сверхкапиллярным относятся 
поры радиусом от 0,1 мм и выше. Движение жидкостей и газов  в них 
происходит под действием силы тяжести или напора по  обычным для 
трубчатого канала законам гидродинамики. В частности, для них 
справедливо уравнение Бернулли, согласно которому вдоль струйки 
жидкости имеет место следующее соотношение между давлением р, 
скоростью v течения жидкости (с плотностью r) и высотой z над 
плоскостью отсчёта: 
const
rgz
rv
p
=
+
+
2
5,0
, 
где g – ускорение свободного падения.  

Движение жидкости в таких средах осуществляется по законам 
фильтрации и подчиняется эмпирическому закону Дарси: скорость потока 
жидкости пропорциональна градиенту давления. 

 
Рисунок 1. Породы с различными типами порового пространства.  
Межзерновая пористость: а — с хорошо отсортированными зернами, б — с 
хорошо отсортированными зернами и цементирующим веществом в 
промежутках между ними. в — с поровым рассеянным глинистым 
цементом; Пористость:  г — трещинно-каверновая, д — трещинная; 1 — 
зерна; 2 — глинистые частицы; 3 — цементирующий материал; 4 — 
блоковая часть породы 
 
Капиллярные поры имеют размеры от 0,0002 до 0,1 мм. Движение 
жидкостей и газов в них осуществляется при участии капиллярных сил и 
возможно лишь тогда, когда силы тяжести и напора значительно 
превосходят силы молекулярного взаимодействия между фильтрующимся 
флюидом и поверхностью канала фильтрации.  
Субкапиллярные поры имеют просвет от 0,0002 до 0,000002 мм. 
Вследствие малого расстояния между стенками субкапиллярных каналов 
жидкость в них находится в сфере действия поверхностных молекулярных 
сил и перемещаться не может. Породы, имеющие в основном 

субкапиллярные поровые каналы, не являются коллекторами (глины, 
глинистые сланцы, сильно глинистые разности терригенных пород и др.).  
Выделяются также тонкие микропоры с диаметром  менее 2×10-6 мм. 
Они встречаются  у некоторых природных цеолитов. 
Трещинная пористость классифицируется по раскрытости трещин 
[15,3,11]. Трещины считаются сверхкапилярными, если ширина их 
раскрытости больше 0,25 мм, капиллярными  - при ширине от 0,0001 до 
0,25 мм,  и субкапиллярными - при ширине меньше 0,0001 мм. Иногда 
выделяют макротрещины и микротрещины. Первые имеют раскрытость 
более 0,1 мм, а вторые от 0,01 до 0,1 мм.  
Одна и та же порода может содержать поры различных размеров. Их 
соотношение и распределение по объему в ОГП зависит от плотности 
укладки и формы частиц. 
Количественной 
характеристикой, 
отражающий 
пустотное 
пространство горной породы, является пористость и коэффициент 
пористости. 
Пористость - это важная характеристика пустотного пространства 
горной породы, которая определяется объёмом всех сингенетических 
(первичных) и эпигенетических (вторичных) пустот.  
Под 
пористостью 
горной 
породы 
понимается 
совокупность 
пустотного пространства между частицами ее твердой фазы в абсолютно 
сухом состоянии. 
Коэффициент пористости – это параметр,  равный  отношению 
объёма пустотного пространства ко всему объёму породы, выраженный в 
процентах.  
 Общая  (абсолютная) пористость  породы равна суммарному  объему  
всех пустот независимо от их формы, величины и взаимного расположения. 
Коэффициент общей пористости численно равен отношению объема 
порового пространства  Vпор к объему образца породы и выражается в долях 
единицы или процентах: 

обр

общ
пор
п
V

V
.
=
κ
                                                       (1.1) 

где 
общ
пор
V
.
 — общий объем пор в образце породы; 
обр
V
 - объём породы. 

Пустоты в горных породах могут быть как взаимосвязанными, так и 
изолированными. Первые соответствуют открытой, а вторые — закрытой 
пористости.  

Открытая пористость (насыщенная) - совокупность сообщающихся 
между собой пор и пустот, в пределах которых возможно движение 
жидкости или газа, при определенном градиенте давления.  
Коэффициент открытой пористости: 

обр

о
пор
о
п
V

V
.
.
.
=
κ
     (1.2), 

где 
о
пор
V
.   - объем открытых пор в образце породы; 
обр
V
 - объём породы.  

Закрытая пористость (отрицательная, замкнутая) - совокупность 
замкнутых, 
не 
имеющих 
между 
собой 
сообщения, 
пустот. 
Она 
определяется разностью между абсолютной и открытой пористостью. 
Коэффициент  закрытой пористости: 

обр

з
пор
з
п
V

V
.
.
.
=
κ
   
(1.3), 

где 
з
пор
V
.   - объем закрытых пор в образце породы; 
обр
V
 - объём породы. 

Статическая (полезная) емкость пород-коллекторов определяется 
объемом порового пространства, которые могут быть заняты нефтью или 
газом. В ОГП часть пустотного пространства может быть заполнено водой, 
удерживаемой Ван-дер-Ваальсовыми силами притяжения, достигающими 
десятков тысяч атмосфер (прочно связанная вода). Вследствие этого 
статическая ёмкость ОГП будет меньше объёма порового пространства.  
Величина статической ёмкости пород  характеризуется коэффициентом 
эффективной статической пористости: 

обр

св
пор
о
пор
эфф
п
V

V
V
.
.
.
.

−
=
κ
 (1.4) или 
.
.
.
.
.
.
)
1(
о
п
св
в
эфф
п
κ
κ
κ
−
=
  
 (1.5), 

где  
св
пор
V
.  — объем   порового пространства, занятый связанной водой, 
.
.св
в
κ
 

— 
коэффициент 
связанной 
водонасыщенности, 
.
.о
п
κ
- 
коэффициент 

открытой пористости.  
Коэффициент эффективной пористости является основным для проведения 
различных инженерных расчётов. 
Динамическая пористость горных пород характеризуется  объёмом 
пор, через которые происходит движение многофазовых жидкостей. Этот 
показатель всегда меньше значения общей и эффективной пористости. 
Пласты–коллекторы 
в 
общем 
случае 
обладают 
различной 
пористостью. Для оценки порового пространства пласта-коллектора при