Характеристика нефтяных и газовых месторождений

В начальный период развития нефтяной промышленности многие склонны были считать, что нефть в земной коре скапливается в пустотах больших размеров или в трещинах. Однако развитие бурения скважин позволило убедиться в правильности высказанной еще в шестидесятых годах прошлого столетия идеи Д. И. Менделеева о том, что вместилищами жидкости и газа в земной коре являются осадочные горные породы с большим числом мелких сообщающихся пустот.

Суммарный объем всех пустот в породе (пор, каверн, трещин) называют абсолютной или теоретической пористостью. Отношение суммарного объема пустот в породе ко всему объему породы -- есть коэффициент пористости: горный нефть газ месторождение

где У_п -- суммарный объем всех пустот в породе; V -- объем: породы.

Суммарный объем всех пустот в породе зависит от формы слагающих породу зерен, характера их взаимного расположения и наличия цементирующего вещества.

Если допустить, что все слагающие горную породу зерна имеют форму равновеликих шариков, то объем пор такой породы будет зависеть только от взаимного расположения зерен» шариков (рис. 1). Математически доказано, что размер зерен-шариков в данном случае не будет иметь значения.

Рис. 1. Расположение зерен-шариков

При наименее плотной укладке равновеликих зерен-шариков, когда две группы рядов пересекаются под углом 90°, коэффициент пористости равен 47,6% (рис. 1, а). Теоретически это значение коэффициента пористости является максимальным. Если две группы рядов пересекаются под углом 60° (рис. 1, б), получают теоретически минимальный коэффициент пористости, равный 25,8%. Все другие формы расположения зерен-шариков дадут промежуточные значения пористости, т. е. 25,8--47,6%.

В действительности значение коэффициента пористости горной породы обусловливается не только формой слагающих ее зерен, но и степенью их отсортированности, наличием цементирующего вещества, связующего зерна, а также трещиноватостью породы. Все это обусловливает значительные колебания коэффициентов пористости различных горных пород.

В горной породе, как правило, не все поры сообщаются друг с другом. Объем пустот породы, взаимно сообщающихся между собой, называется эффективной пористостью.

Обычно открытые поры в горной породе насыщаются водой, нефтью или газом, а изолированные поры на том же участке могут содержать другие вещества. Отношение общего объема всех пустот в породе IV, заполненных водой, нефтью или газом, к суммарному объему всех пустот в породе V_u называют коэффициентом насыщения:

Насыщение пор нефтью, водой и газом и движение последних по поровым каналам зависят от размера пор. В поры большого диаметра жидкость проникает легко; под влиянием силы тяжести она может перемещаться по поровым каналам на значительные расстояния. Для проникновения жидкости в поры малого диаметра (капиллярные поры) требуются большие давления. Движение жидкости по поровым каналам в этом случае становится крайне затруднительным.

Рис. 2. Типы природных резервуаров:

Способность породы пропускать при перепаде давления жидкость и газ называется проницаемостью. Существуют породы хорошо проницаемые и плохо проницаемые. Абсолютно непроницаемых пород нет.

Проницаемость не характеризует количественное содержание жидкости в породе; она лишь определяет способность передвижения по поровым каналам жидкости и газов.

При характеристике и оценке свойств горных пород часто смешивают и даже отождествляют два совершенно различных понятия -- проницаемость и пористость. Следует помнить, что пористость характеризует объем пустот в породе, а проницаемость -- способность проникновения жидкости или газа через породу.

К хорошо проницаемым породам относятся пески, рыхлые песчаники, кавернозные и трещиноватые известняки; к плохо проницаемым породам -- глины, гипсы, ангидриты, сланцы, глинистые известняки, песчаники и конгломераты с глинистым цементом. Выше отмечалось, что в порах некоторой части осадочных горных пород может содержаться большое количество воды, нефти и газа.

Пористые и трещиноватые горные породы, проницаемые для жидкостей и газа и способные быть их вместилищем, называются коллекторами.

В недрах земной коры вместилищем для воды, нефти и газа служит коллектор, кровлю и подошву которого составляют пласты, сложенные плохо проницаемыми породами. Такой коллектор называют природным резервуаром.

В земной коре существуют природные резервуары различных типов (рис. 2). Чаще всего природные резервуары представляют собой пласт, заключенный между плохо проницаемыми породами. Например, пласт песка между пластами глины (рис. 2, а).

Если мощную толщу проницаемых пород, которая состоит из нескольких пластов, не отделенных плохо проницаемыми породами, покрывают и подстилают плохо проницаемые породы, то такой природный резервуар называется массивным. Примером массивного природного резервуара может служить мощная толща трещиноватых известняков, ограниченная в кровле и подошве глинистыми пластами (рис. 2,6).

В земной коре встречаются природные литологически ограниченные резервуары, в которых проницаемая порода окружена со всех сторон плохо проницаемой породой (рис. 2, в).

§ 2. ЗАЛЕЖИ НЕФТИ И ГАЗА

Подавляющее большинство природных резервуаров насыщено водой. Образовавшиеся при определенных условиях нефть и газ, попав в природный резервуар, заполненный водой, начинают перемещаться (мигрировать). Это происходит вследствие того, что плотности нефти, газа и воды различные.

Сначала нефть и газ перемещаются до кровли подземного резервуара, а затем, если пласт наклонный, вдоль его кровли до выхода на поверхность земной коры или до какого-либо препятствия.

В первом случае выходящая на поверхность нефть поглощается окружающей место обнажения пласта породой, а газ улетучивается в атмосферу.

Во втором случае нефть и газ скапливаются вблизи препятствия, попав в своеобразную ловушку.

Ловушка -- часть природного резервуара, в котором со временем устанавливается равновесное состояние воды, нефти и газа. Так как плотность газа наименьшая, он скапливается в верхней части ловушки. Ниже газа располагается нефть. Вода, как более тяжелая жидкость, скапливается в нижней части ловушки.

В природе существуют самые разнообразные виды ловушек. Наиболее распространены сводовые и экранированные ловушки (рис. 3).

Сводовые ловушки образуются в антиклинальных складках, если в кровле и подошве последних располагаются плохо проницаемые породы. В этом случае нефть и газ всплывают над водой, содержащейся в проницаемом пласте, попадают в свод антиклинали и оказываются в ловушке (рис. 3, а). В такой ловушке препятствием (экраном) для миграции нефти и газа является плохо проницаемая кровля в сводовой части антиклинальной складки.

Однако для образования ловушки совсем не обязательно, чтобы проницаемый пласт имел форму антиклинальной складки. Ловушка может образоваться и тогда, когда хорошо-проницаемая порода на некотором протяжении ограничена плохо проницаемой породой. Ловушки подобного вида называют литологически экранированными (рис. 3, б).

Ловушки могут образоваться и в местах контакта по трещине пористого пласта и плохо проницаемой породы. Ловушка такого типа называется тектонически экранированной. Как видно из рис. 3, в, нефть и газ, скопившиеся в приподнятой части пористого пласта, оказались в ловушке, так как их миграция в плохо проницаемые породы практически невозможна.

Встречаются в природе и так называемые стратиграфически экранированные ловушки (рис.39, г). В этом случае нефть и газ, находящиеся в наклонно залегающем пористом пласте, контактируют с горизонтально залегающими, плохо проницаемыми породами, которые служат экраном для нефти и газа.

В ловушке любой формы при благоприятных условиях может скопиться значительное количество нефти и газа. Такая ловушка называется залежью. Форма и размер залежи обусловливаются формой и размером ловушки. Рассмотрим основные элементы нефтегазовой залежи (рис. 4).

Поверхность, разделяющая нефть и воду, называется подошвой нефтегазовой залежи, или поверхностью водо-нефтяного раздела. Линия пересечения этой поверхности с кровлей пласта называется внешним контуром нефтеносности. Линия пересечения поверхности водонефтяного раздела с подошвой пласта есть внутренний контур нефтеносности.

Газовая шапка -- скопление свободного газа над нефтью в залежи.

Линия пересечения поверхности нефтегазового раздела с кровлей пласта называется внешним контуром газоноскости, а с подошвой пласта -- внутренним контуром газоносности.

Рис. 3. Типы ловушек

Если в сводовой нефтегазовой ловушке нефти и газа недостаточно для полного заполнения пласта (по всей мощности), внутренний контур газоносности или даже внутренний контур нефтеносности будут отсутствовать.

Газовая шапка в пласте может сформироваться в том случае, если давление в залежи равно давлению насыщения нефти газом при данной температуре в пласте. Если пластовое давление выше давления насыщения, то весь газ растворится в нефти.

При отсутствии в пласте нефти возможно образование чисто газовой залежи с внешним и внутренним контурами газоносности.

В нефтегазовых ловушках, образовавшихся в массивных природных резервуарах, внутренние контуры нефтеносности и газоносности отсутствуют (рис. 5). В газовых ловушках, сформировавшихся в массивных природных резервуарах, имеется только внешний контур газоносности.

Рис. 4. Сводовая газонефтяная залежь:

/ -- внутренний контур газоносности; 2 -- внешний контур газоносности; 3 --* внутренний контур нефтеносности; 4 -- внешний контур нефтеносности

Рис. 5. Массивная газонефтяная залежь: / -- внешний контур газоносности; 2 -- внешний контур нефтеносности

Геометрические размеры залежи определяются по ее проекции на горизонтальную плоскость. Высотой залежи называется расстояние по вертикали от подошвы залежи до ее наивысшей точки, высотой нефтяной части нефтегазовой залежи -- расстояние от подошвы до газонефтяного раздела. Длина залежи определяется расстоянием между крайними точками, образующимися при пересечении большой оси залежи с внешним контуром нефтеносности. Ширина залежи характеризуется расстоянием между крайними точками, образующимися при пересечении малой оси залежи с контуром нефтеносности. Большая и малая оси залежи проводятся взаимно перпендикулярно с центром их пересечения в своде залежи.

Кроме сводовых пластовых и массивных нефтегазовых и газовых залежей, принципиальные схемы которых были рассмотрены выше, существуют пластовые экранированные и литологически ограниченные залежи нефти и газа.

Следовательно, трем основным типам природных резервуаров соответствуют три основные группы залежей нефти и газа:

1) пластовые залежи (сводовые и экранированные);

2) массивные залежи;

3) литологически ограниченные залежи.

§ 3. МЕСТОРОЖДЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА

Под месторождением нефти и газа понимается совокупность залежей одной и той же группы (например, сводовых пластовых или массивных и т. д.), находящихся в недрах земной коры единой площади.

Приведенное определение нуждается в пояснении, так как оно содержит некоторую условность и обобщенность. Условность состоит в том, что нефть и газ никогда не залегают в месте своего образования. Поэтому под термином «месторождение» надо понимать не место рождения нефти и газа, а место залегания ловушки, в которую попали эти полезные ископаемые вследствие миграции.

Обобщенность заключается в том, что месторождение нефти и газа может содержать от одной до нескольких десятков залежей. Единичная залежь может считаться месторождением в том случае, если с учетом запасов нефти и газа целесообразна ее разработка. Несколько залежей могут входить в одно месторождение при условии, если они характеризуются однотипными структурами, определяющими общность организации поисков, разведки и добычи нефти и газа.

Однако не всегда можно определять границы месторождения только с учетом типа структуры. Иногда крупная структура характеризует целую зону нефтегазонакопления, содержащую несколько месторождений нефти и газа. Примером такой зоны может служить залегание осадочных горных пород, характеризующееся одним типом структуры -- моноклиналью. Но моноклиналь на своем протяжении может иметь различного рода экранированные залежи. В этом случае не исключена возможность образования нескольких разрозненных залежей нефти и газа, требующих разного подхода к организации работ по разведке и добыче полезного ископаемого. В результате единая моноклинальная структура, являющаяся зоной нефтегазонакопления, разбивается по территориальному признаку на несколько месторождений. Поэтому в определении понятия «месторождение нефти и газа» говорится не только о типе структуры, но и о распространении залежей в недрах земной коры одной и той же площади.

Существование в земной коре двух основных геологических структур -- геосинклиналей и платформ -- предопределило разделение месторождений нефти и газа на два основных класса:

I класс -- месторождения, сформировавшиеся в геосинкли-.нальных (складчатых) областях;

II класс -- месторождения, сформировавшиеся в платформенных областях.

Характерные представители I класса -- месторождения Северного Кавказа и юго-восточной части Кавказского хребта, а также Крыма, Восточных Карпат, Туркмении, Ферганы, Узбекистана, Таджикистана и о. Сахалина. Все месторождения нефти и газа, расположенные между Волгой и Уралом, в Западной Сибири, относятся к месторождениям II класса.

§ 4. ДАВЛЕНИЕ И ТЕМПЕРАТУРА В НЕДРАХ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Давление в пласте до начала его разработки (начальное пластовое давление) зависит от глубины залегания пласта и приближенно может быть определено по формуле

где /Опл.нач -- начальное пластовое давление, Па; Н -- глубина залегания пласта, м; р -- плотность жидкости, кг/м³; g -- ускорение свободного падения тела, м/с².

Обычно пластовое давление больше или меньше вычисленного по формуле (3), так как оно определяется не только с учетом условий притока жидкости в пласт и отбора ее. Повышение или понижение пластового давления по сравнению с гидростатическим обусловливается целым рядом причин: силой тяжести вышележащих горных пород (горным давлением), тектоническими силами, температурой, химическими процессами.

Горное давление передается жидкости и газу, заключенным в пласте, через минералы, слагающие горную породу. Следовательно, передаваемое давление находится в прямой зависимости от механических свойств минералов. Чем больше уплотняется порода под действием горного давления, тем меньше становится ее пористость. В результате горное давление в той или иной степени передается жидкости и газу, насыщающим поры пласта.

Горное давление влияет на уровень жидкости в пласте, сообщающемся с поверхностью. Поэтому приведенная методика определения пластового давления для данного случая остается справедливой.

Если же пласт изолирован, то находящиеся в нем жидкость и газ воспримут часть горного давления, что приведет к созданию анормального, превышающего гидростатическое, пластового давления.

Тектонические силы могут привести к повышению или понижению пластового давления по сравнению с гидростатическим в результате перемещения пласта.

Влияние температуры в основном сводится к разрушению сложных углеводородов, из которых состоит нефть и газ, с образованием большого числа простейших молекул. Это приводит к увеличению объема жидкости и газа и, следовательно, к росту пластового давления (в закрытом пласте).

Изменение температуры может вызвать химические реакции, которые приводят к цементации пластов. Результат этого -- снижение пористости, способствующее повышению пластового давления (в закрытом пласте).

Пластовое давление определяется при помощи спускаемых в скважину манометров.

Если известна плотность жидкости или газа, заполняющих скважину, то пластовое давление можно определить расчетным путем.

В том случае, когда скважиной вскрывается пласт за контуром нефтеносности (газоносности) и если она заполнится пластовой водой, пластовое давление при закрытом устье определится по следующей формуле:

где р_из и р_у-- давление в пласте и на устье скважины, Па.

Если в такой скважине открыть устье, то вода будет вытекать на поверхность, т. е. скважина начнет фонтанировать.

В скважине, в которой уровень жидкости не доходит до устья, пластовое давление составит

где Hi -- высота столба жидкости в скважине, м

Пластовое давление, определенное в какой-либо точке пласта, характерно для пласта в целом только при пологом его залегании. В том случае, когда углы падения крыльев пласта значительные, пластовое давление на этих участках будет большим, а в замковой части (седле) -- меньшим.

Поэтому для удобства давление в пласте обычно относят к какой-либо одной плоскости. За такую плоскость принимают уровень моря или условная плоскость -- первоначальное положение водонефтяного контакта в пласте. Пластовое давление, отнесенное к этой условной плоскости, называется приведенным пластовым давлением.

Если пластовое давление в скважинах 1 и 2 (рис. 12) равно соответственно pi и р2, то приведенное давление в них (в Па), отнесенное к первоначальному уровню водонефтяного контакта, равно

где h\ и hi -- расстояния от забоев скважин до уровня водонефтяного контакта, м; р_п и р_в -- плотности нефти и воды, кг/м³.

Температура на .поверхности Земли, зависящая главным образом от освещенности ее участков Солнцем, изменяется в значительных пределах. Однако колебания температуры на поверхности Земли воспринимаются на расстоянии всего лишь десятков метров земной коры.

Границей разделения влияния внешнего (излучение Солнце) и внутреннего тепловых полей Земли является слой с постоянной отрицательной или положительной температурой.

Ниже слоя с постоянной отрицательной температурой господствуют отрицательные температуры и, следовательно, залегают многолетнемерзлые породы, толщина которых на некоторых участках достигает 700 м. Области залегания многолетнемерзлых пород занимают около 10% поверхности всей суши Земли, а в СССР около 45% территории.

Ниже слоя с постоянной положительной температурой условия залегания пород и их состояние обусловлены положительной температурой.

Температура в земной коре ниже слоя с постоянной температурой закономерно возрастает с глубиной. Расстояние по вертикали (в м) в земной коре (ниже зоны постоянной температуры), на котором температура горных пород повышается на 1°С, называется геотермической ступенью. Установлено, что значение геотермической ступени колеблется в верхних слоях земной коры в пределах 11--120 м, среднее ее значение составляет около 33 м. Для характеристики изменения температуры с глубиной иногда пользуются геотермическим градиентом -- приростом температуры в °С горных пород на каждые 100 м углубления от зоны постоянной температуры. В среднем геотермический градиент равен 3° С.

Рис. 12. К определению пластового давления

Знать температуру на различных глубинах земной коры и в продуктивной залежи крайне необходимо в процессе бурения скважин, при проектировании системы разработки нефтяных и газовых месторождений, а также во время их эксплуатации.

Размещено на Allbest.ru