vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Введение

Нефть стала известна людям более четырёх тысяч лет тому назад. На заре цивилизации нефть не играла большой роли в быту и

технике. До нас дошли скупые сведения о том, что она применялась греками, египтянами и ассирийцами преимущественно для медицинских целей, в строительном деле (асфальт), при изготовлении туши, в военном деле ("греческий огонь"), а также для освещения комнат и смазки колёс.

Признание как дешёвого топлива и источника ценных продуктов нефть получила только за последние сто лет. В данный момент развитие техники и промышленности невозможно себе представить без использования нефти и продуктов её переработки.

Из нефти вырабатываются горючее для двигателей внутреннего сгорания, топлива для газовых турбин и котельных установок, смазочные масла, битумы для дорожных покрытий, сажа для резиновой промышленности, кокс для электродов и множество других промышленных и потребительских товаров.

Газы – попутные, природные, газы нефтепереработки, ароматические углеводороды, жидкие и твёрдые парафины – незаменимое сырьё для нефтехимической промышленности.

На базе этого дешёвого газового и нефтяного сырья производятся полимерные материалы, синтетические волокна, каучук, моющие средства, спирты, альдегиды и многие другие ценные материалы.

В настоящее время эксплуатируемые крупные месторождения, определяющие объём добычи нефти, приближаются к последним стадиям разработки. Состояние их характеризуется значительными исчерпывающими запасами, преждевременным обводнением, изношенностью систем сбора и трубопроводного транспорта до 50-80 %.

Перспективные направления в нефтедобыче будут определяться в основном следующими факторами: уровнем мировых цен на топливо, налоговыми условиями, научно-техническими достижениями в разработке

и эксплуатации месторождений, качеством разведанной сырьевой базы. Для прироста добычи нефти Правительством Российской Федерации

были приняты Постановления о мерах по вводу в эксплуатацию бездействующих, контрольных и находящихся в консервации скважин на нефтяных месторождениях и обеспечивающие гибкое налогообложение (стимулирующее) в части:

– эксплуатации месторождений с истощёнными и трудноизвлекаемыми запасами (дебит 0,1-1 т/сутки), которые составляют

более 50 % от общего количества текущих извлекаемых запасов с помощью новых технологий;

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

– освоения и ввода в эксплуатацию мелких малодебитных месторождений, в среднем на одно мелкое месторождение приходится менее 1 млн. тонн нефти и в России их открыто более 1400 месторождений;

ввода в разработку месторождений с низкопроницаемыми коллекторами (0,05 мкм2).

Реализовать намеченные перспективы развития нефтедобывающего комплекса и поддерживать уровень добычи нефти в России в 330–370 млн. тонн в год невозможно без получения новых данных относительно нефтяных и газовых пластов – коллекторских и фильтрационных свойств горных пород, физико-химических свойств пластовых жидкостей и газов,

фазовых состояний углеводородных систем и других. Процесс развития нефтяной промышленности России требует применения нетрадиционных систем разработки, новых технологий и современных технических средств, а это всё зависит от состояния отраслевой и академической науки, и не только нефтегазового комплекса, но и нефтегазового машиностроения.

Развитие научно-технической базы человечества, освоение и ввод в

эксплуатацию крупнейших по запасам нефти и газа месторождений осуществляются на основе достижений прогресса в области физики нефтяного пласта. Полученные новые данные относительно нефтяных и газовых пластов, коллекторских и фильтрационных свойств горных пород (пористость, проницаемость, насыщенность, электропроводность), физических свойств пластовых жидкостей и газов, фазовых состояний предельных углеводородных систем успешно применяются на практике.

Прогресс в области физики пласта, посредством более совершенного проектирования системы разработки, способствует поведению грамотной эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, разработке и внедрению методов повышения компонентоотдачи пластов.

Современный инженер-нефтяник, занимающийся рациональной

разработкой нефтяных и газовых месторождений, должен хорошо знать геологическое строение залежи, её физическую характеристику, физические и физико-химические свойства насыщающих породу нефти,

газа и воды; должен уметь правильно обработать и оценить данные, которые получены при вскрытии пласта и при его последующей эксплуатации. Эти данные позволяют определить начальные запасы углеводородов в залежи и необходимы для объективного представления о процессах, происходящих в пласте на различных стадиях его разработки. На этом комплексе сведений основывается проектирование разработки месторождения, выбор тех или иных методов искусственного воздействия

на залежь, если это признаётся необходимым.

Настоящее учебное пособие посвящено описанию свойств пористых сред и насыщающих их жидкостей и газов.

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1 КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

1.1 Типы пород–коллекторов

Коллектором называется горная порода (пласт, массив), обладающая способностью к аккумуляции и фильтрации воды, нефти и газа. Под горной породой понимается естественный твердый минеральный агрегат определенного состава и строения, образующий в земной коре тела различной формы и размера. По происхождению (генезису) горные породы подразделяются на осадочные (пески, песчаники, доломиты, алевролиты, известняки, мергели), изверженные (магматические) и метаморфические.

Осадочные породы возникают в результате преобразования в термических условиях поверхностной части земной коры осадков, представляющих собой выпавшие механическим или химическим путем продукты разрушения более древних пород, изверженных вулканов, жизнедеятельности организмов и растений.

Тип коллектора определяется природой, структурой и геометрией порового пространства. Подавляющая часть нефтяных и газовых месторождений приурочена к коллекторам трёх типов – гранулярным

(обломочный, хемогенный,), трещинным и смешанного строения.

К первому типу относятся коллекторы, сложенные песчано-

алевритовыми породами, состоящие из песчаников, песка, алевролитов, реже известняков, доломитов, мергелей, поровое пространство которых состоит в основном из межзерновых полостей.

В чисто трещиноватых коллекторах, сложенных преимущественно карбонатами, поровое пространство образуется системой трещин. При этом участки коллектора между трещинами представляют собой плотные малопроницаемые нетрещиноватые блоки пород, поровое пространство которых практически не участвует в процессах фильтрации. Трещиноватый тип коллектора известен на месторождениях Западного Приуралья, Северного Кавказа, Западной Венесуэлы, США.

На практике, однако, чаще всего встречаются трещиноватые коллекторы смешанного типа, поровое пространство которых включает как системы трещин, так и поровое пространство межзерновых полостей, а также каверны и карст. Такой тип коллектора отмечен на участках ряда месторождений Западной Сибири (Таллинское месторождение и другие).

Анализ показывает, что около 60 % запасов нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 39 % — к карбонатным отложениям и 1 % — к выветренным метаморфическим и изверженным породам.

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Следовательно, породы осадочного происхождения — основные коллекторы нефти и газа.

1.2 Залегание нефти, газа и воды

Наличие коллектора в осадочной толще не является достаточным условием формирования и существования нефтяной или газовой залежи. Промышленные запасы нефти и газа приурочены к тем коллекторам, которые совместно с окружающими их породами образуют ловушки различных форм: антиклинальные складки, моноклинали, ограниченные сбросами или другими нарушениями складчатости. Условия формирования нефтеносных толщ включают наличие коллекторов с надежными покрышками непроницаемых пород, состоящих из глин (глинистые сланцы, породы с высоким содержанием глинистого цемента), солей, особенно сульфатных, эвапоритов (гипс, ангидрит и другие).

Покрышка – литологическое тело (пласт, пачка, свита и др.),

расположенное над коллектором нефти или газа и препятствующее фильтрации углеводородов из коллектора в верхние горизонты.

Многообразие условий залегания нефти, газа, газоконденсата и геологического строения залежей безгранично. Различают следующие типы ловушек:

– структурные – антиклинали, моноклинали, брахиантиклинали, купола и другие (рис. 1.1).

Рисунок 1. 1 – Антиклинальный тип нефтяной залежи в разрезе и плане: 1 – нефтенасыщенные породы; 2 – водонасыщенные коллектора;

3– непроницаемые породы (покрышки)

–литологические, образовавшиеся вследствие фациальных измений пород, окружающих коллектор нефти – литологически ограниченные за счёт стратиграфического несогласия, когда одни породы замещаются другими (рис. 1.2-1.3), литологически экранированные за счёт

тектонических процессов, приводящих к тектоническим, дезъюнктивным нарушениям (рис. 1.4);

10

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рисунок 1.2 – Литологически ограниченная залежь нефти, связанная с антиклинальной структурой: - линия замещения коллекторов

Рисунок 1.3 – Литологически ограниченная заливообразная нефтяная залежь в плане (а) и разрезе (б): + – породы фундамента; # – кора

выветривания

Рисунок 1.4 – Литологически экранированная залежь нефти,

приуроченная к зоне угловых дезъюнктивных несогласий

– Залежи в рифогенных образованиях (рис. 1.5).

11

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рисунок 1.5 – Массивная залежь нефти, приуроченная к рифогенным

отложениям карбонатов (а) или к антиклинали (б)

В Западной Сибири большая часть нефтяных месторождений приурочена к антиклинальным структурам. Литологически ограниченные залежи встречаются редко. В основном это Таллинское месторождение (Красноленинский свод), пласт Ю11 Калатушного месторождения, выклинивающийся на западном склоне средневасюганского мегавала.

Литологически экранированные залежи выявлены в Баженовской свите на Салымском месторождении и встречаются в пластах Б16 нижнемелового

возраста.

Залежи литологического типа в основном распространены в Приуралье, в которых песчаные пласты девонского возраста выклинивают на склонах структур – Ромашкинское, Оренбургское, Ишимбаевское и другие месторождения.

Нефтяной пласт представляет собой горную породу, пропитанную нефтью, газом и водой.

До вскрытия месторождения скважинами все физические параметры пласта – давление, температура, распределение нефти, газа и воды в залежи – находятся в термодинамическом состоянии, установившемся с момента формирования залежи.

Давление, при котором находятся нефть, вода и газ в месторождении, принято назвать пластовым давлением.

Давление в недрах обусловливается давлением породы и насыщающей её жидкости. Чем больше мощность породы, тем больше давление. Давление, создаваемое жидкостью или газом в пласте, благодаря их подвижности, называется гидростатическим пластовым давлением.

Как правило, оно связано с глубиной залегания пласта: Рпл = f (Нпл).

По данным Г.Ф. Требина более 50 % залежей залегают на глубине от 1250 до 2250 м, пластовое давление для глубин до 2500 м подчиняется эмпирической зависимости:

Рпл ≈ Н·ρж/10 → Рпл ≈ 0,105 · Н [атм] → Рпл ≈ Н/100 [МПа], (1.1)

где Рпл – среднее пластовое давление в залежи (1 Па = 0,102 атм); Н – средняя глубина залежи (мощность пласта), м; ρж – плотность жидкости (плотность воды ≈ 1000 кг/м3).

Давление флюидов в пластах возрастает с увеличением залегания коллекторов; градиент давления, т.е. прирост давления на 1 м глубины колеблется в широких пределах: от 5 до 15 кН/м2 ( 1 бар=105 Н/м2 =1кг/см2;

1 МН/м2 = 10 бар).

То есть, начальное пластовое давление (до начала разработки залежи) или статическое, зависит от глубины залегания пласта, и на

каждые 100 м погружения оно обычно возрастает на 1 МПа. Величина начального пластового давления используется для оценки особенностей гидродинамической системы, к которой приурочена данная залежь нефти.

Пласты, для которых соблюдаются равенства (1.1) называются пластами с нормальным гидростатическим давлением (нормальным

12

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

пластовым давлением). Считается, что такие залежи гидродинамически связаны с поверхностью земли.

На ряде месторождений Западной Сибири (Уренгойское), Западной Украины, Чечни, Ингушетии, Туркмении на больших глубинах наблюдаются зоны с аномально высокими пластовыми давлениями, которые в полтора-два раза выше оценочного гидростатического давления.

Такие пласты, как правило, не связаны или очень слабо связаны с дневной поверхностью земли. Чаще всего они приурочены к складчатым районам. Однако пластовое давление может быть и ниже гидростатического. Залежи, имеющие давления, отличные от гидростатического, приурочены

к аномальным.

Давление, создаваемое горными породами, называется геостатическим давлением. Величина геостатического давления (Рг)

оценивается по формуле:

Рг ≈ ρг.п+жgН,

(1.2)

где ρг.п+ж – средняя плотность горной породы и насыщающей её жидкости, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с2.

Геостатическое давление оказывает влияние на всю массу породы, стремиться её уплотнить. С увеличением глубины уплотняющее давление

(Рупл) растёт. Уплотняющее давление растёт и при уменьшении пластового
давления в процессе разработки залежи:
Рупл= Рг – Рпл	(1.3)

Температурный режим нефтяных месторождений– важный фактор,

влияющий на состояние и свойства пластовых флюидов (например, вязкость), растворимость газа в нефти и разработку месторождений.

Повышение температуры происходит закономерно с глубиной. Температурный режим недр оценивается геотермическим градиентом. Известно, что при погружении в глубину горных пород температура возрастает примерно на 1оС на каждые 33 м. Величина градиента зависит от состава пород, фильтрации термальных вод, абсолютной глубины, химико-минералогических явлений и других факторов. Для нефтяных месторождений величина геотермического градиента колеблется на 10-60 м. Западно-Сибирский регион по величине геотермического градиента (около 25-35 м) тяготеет к "горячим" районам. Значения пластовых температур для нефтеносных толщ изменяются в диапазоне от 30о до 67о С.

В связи с разнообразием условий формирования осадков коллекторские свойства пластов различных месторождений могут изменяться в широких пределах. Характерные особенности большинства коллекторов – слоистость их строения и изменение во всех направлениях свойств пород, толщины пластов и других параметров.

Основные коллекторские свойства горных пород вмещать (ёмкость коллектора, обусловленная пористостью горной породы) и пропускать

13