Учебное пособие по дисциплине «Нефтегазовые технологии» для студентов, обучающихся по специальности 080502 «Экономика и управление на предприятии в нефтяной и газовой промышленности»

Ловушкой нефти может быть часть природного резервуара, находящегося в повышенном структурном положении по отношению к окружающим участкам и их называют структурными. Они связаны в основном с антиклиналями и куполами и наиболее распространены. В отличие от структурных, литологические ловушки обусловлены изменением состава данного горизонта, когда пористые породы окружены непроницаемыми (алевролиты, глины). При тектонических нарушениях в виде разрывов и смещений слоев, пористые породы граничат с непроницаемыми и образуют ловушки экранированные. Существуют также и стратиграфические ловушки, связанные с переходом пористых слоев к более плотным породам другого возраста.В этих случаях нефть двигается по пластам вверх до тех пор, пока ее дальнейшее движение становится невозможным. В природе существуют и другие типы ловушек (рис.2.4).

Естественное скопление нефти или газа в природных резервуарах образуют нефтяные, газовые или газоконденсатные залежи, в которых газ нефть и вода распределяются по вертикали в соответствии с их плотностями. Если давление в залежи равно давлению насыщения при данной температуре, то газ, как более легкий располагается над нефтью, образуя газовую шапку. Если пластовое давление выше давления насыщения, то весь газ растворяется в нефти (рис.2.5).

При образовании в пористых породах гидратов, их залежи называют газогидратными.

Кроме нефтяных и газовых залежей в верхней части осадочной толщи содержатся массовые скопления битумов.

Рис.2.5. Схема нефтегазового месторождения: А – газовый пласт; Б и В – нефтяные пласты

Нефтяные залежи могут находиться в местах образования нефти или мигрировать в пористой среде.

Тип залежи зависит от строения ловушки, свойств коллектора, покрышек, наличия или отсутствия тектонических нарушений.

Толщина нефтяных и газовых пластов может колебаться от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, а их ширина и длина от нескольких десятков метров до многих километров. Наиболее распространены залежи антиклинального типа (рис 2.6.).

Границу, разделяющую нефть и воду в пласте называют водонефтяным контактом (ВНК), а границу между газом и нефтью – газонефтяным контактом (ГНК). Граница между газом и водой в газовых скважинах – газоводяной контакт (ГВК).

Линия пересечения поверхности ВНК с кровлей пласта называется внешним контуром нефтеносности, а с подошвой пласта – внутренним.

Расстояние от верхней точки залежи до контакта с водой – высота залежи.

Совокупность залежей, находящихся в недрах земной коры на единой площади, называют м е с т о р о ж д е н и е м .

Жидкости (вода, нефть) и газы находятся в пласте под определенным давлением, которое называют п л а с т о в ы м. Давление в пласте до начала его разработки называют начальным пластовым давлением р_пл.нач. Его величина связана с глубиной залегания пласта и приближенно равна давлению столба пресной воды (плотностью 1000 кг/м³ ) высотой равной глубине залегания пласта (гидростатическое давление).

р_{пл. нач.} = g

где

7. 
   ускорение свободного падения ( 9.81 м/с²).
   

Рис.2.6. Сводовая газо-нефтяная залежь: 1 – внутренний контур газоносности; 2 – внешний контур газоносности; 3 – внутренний контур нефтеносности; 4 – внешний контур нефтеносности.

Точную величину пластового давления определяют глубинными манометрами. При наличии на устье избыточного давления

р_пл =   g + р_уст

где р_{уст -} давление на устье скважины, Па.

Если известна плотность жидкости заполняющей скважину, при частичном ее заполнении, пластовое давление

р_пл = Н₁  g (Н₁ - высота столба жидкости в скважине, м ).

Нейтральный слой земли (зона постоянной температуры) - ближайший к дневной поверхности слой, температура в котором не изменяется при суточных и сезонных колебаниях температуры атмосферного воздуха.

В недрах земли нефть и газ находятся при повышенном давлении и температуре. Нефть содержит значительное количество растворенного газа. Растворенный газ снижает плотность и вязкость нефти, увеличивает ее объем.

Отношение объема нефти с растворенным в ней газом в пластовых условиях v_пл к ее объему после дегазации в нормальных условиях V, называют объемным коэффициентом . В большинстве случаев он равен от 1.1 до 2.

Под влиянием пластовой температуры и растворенного газа вязкость нефти в пласте может быть в 4 - 10 раз ниже, чем на поверхности. Это создает благоприятные условия для ее движения в проницаемой среде

Обычными спутниками нефти и газа являются пластовые воды, которые находятся непосредственно в пониженной части пласта (краевые и подошвенные) или залегающие в самом пласте в виде водоносного пропластка (промежуточные). Кроме того, выделяют верхние и нижние водоносные пласты, расположенные соответственно выше или ниже продуктивного пласта.

В нефтяной (газовой) части залежи со времени ее образования также находится вода, которая удерживается в ней за счет поверхностного натяжения, занимает наиболее мелкие поры и по пласту не движется. Называют такую воду остаточной или связанной, и в залежах ее содержится обычно 10-20 %, но иногда достигает 40 и более процентов. Знать количество связанной воды важно при подсчете запасов нефти и газа, для чего вводятся коэффициенты водонасыщенности Кв, нефтенасыщенности Кн и газонасыщенности Кг

Кв = Ve/ V_пор; Кн = Vн/ V_пор; Кг = Vг/ V_пор,

где Ve, Vн, Vг - объемы пор насыщенные соответственно водой, нефтью и газом. V_пор - объемы всех пор.

Пластовые воды обычно высокой минерализации, нередко с концентрацией минеральных солей до 300 кг/м³ с повышенным содержанием йода и брома. Минеральные вещества, входящие в их состав, представлены солями натрия, калия, кальция, магния и др.

Плотность пластовых вод, как правило, больше плотности пресной воды. Вязкость воды обычно меньше вязкости нефти и снижается при повышении температуры.

Самым надежным признаком присутствия нефтяных залежей в глубинных слоях земли являются выходы нефти и газа на дневную поверхность. Чтобы установить закономерность скопления нефти, нужно изучить и восстановить всю историю земной коры – перемещения по ее поверхности морей, смены климатов, развитие растительного и животного мира. Это возможно при изучении окаменелых остатков животных и растений, которые называют «руководящими окаменелостями» (фауной). По ним определяют и сопоставляют возраст тех или иных отложений.

Считают, что Земля, как планета оформилась не менее 6 млрд. лет тому назад, а земная кора около 3 млрд.

Всю огромную толщу пород земной коры геология делит на группы, системы, отделы, ярусы, подъярусы, горизонты и свиты.

Промежутки времени, в которых происходило отложение пород каждого из этих делений толщи земной коры, соответственно разделены на эры, периоды, эпохи, века и времена. Всем им присвоено определенные названия, в основном по местности, где впервые были найдены и изучены отложения этих систем (пермская, юрская), названию племен населяющих эти местности (кембрийская, силурийская), по преобладающему в горной породе полезному ископаемому(меловая, каменноугольная). Каждая эра характеризует собой определенный этап в развитии жизни на земле.

Наиболее древние эры – архейская и палеозойская, продолжительностью 1.0-2.5 млрд. лет. В архейскую эру появились простейшие организмы, остатки которых в осадочных породах не сохранились. В отложениях протерозойской эры встречаются останки самых древних беспозвоночных животных. Выше залегают породы палеозойской эры (продолжительность 466 – 545 млн. лет), в которой существовали разнообразные формы живых и растительных организмов. Она делится снизу вверх на кембрийский, силурийский, девонский, каменноугольный и пермский периоды. Каменноугольный период ознаменовался развитием влаголюбивых растений, в пермский – появились рептилии, хвойные растения, образовались Уральские горы. Мезозойская эра продолжительностью 166 – 195 млн. лет состоит из триасового, юрского ( в котором появились млекопитающие) и мелового периода. Кайнозойская эра продолжительностью 55 – 65 млн. лет продолжается по сей день. Состоит из третичного (палеогеновый, неогеновый) и четвертичного периодов. В третичный период происходит бурное развитие млекопитающих, образование гор (Пиренеи, Альпы, Карпаты, Гималаи, горы Крыма и Кавказа) и современных морей. Начало четвертичного периода – ледниковая эпоха и появление человека.(Геохронологическая таблица представлена в Приложении 2).
Изучение любого района начинается с геологической съемки.

Геологическая съемка заключается в изучении строения слоев земли по естественным обнажениям горных пород (берег реки, овраг, ущелье, вершина горы) и нанесении на топографическую основу. Изучают остатки организмов, порядок и характер залегания слоев. По материалам геологической съемки определяют возраст пород, условия их образования (морские, континентальные и пр), устанавливают геологическую историю района, процесс развития жизни, структурные особенности залегания слоев пород (прогибы, складки, купола). В местах, где нет выходов горных пород на дневную поверхность, копают шурфы (колодцы), шахты, бурят неглубокие скважины из которых поднимают горные породы на поверхность. По результатам геологической съемки составляют структурные и геологические карты, которые показывают, где и какие породы выходят на поверхность и как они залегают на глубине, выявляются геологические структуры, подлежащие дальнейшему изучению (рис.2.7). Геологическая съемка дает возможность судить лишь о самых верхних комплексах горных пород. Тип структуры может прослеживаться и по глубокозалегающим отложениям, но не во всех случаях глубинная структура имеет четкое выражение на дневной поверхности. Для установления форм глубоко залегающих пород бурят структурные (структурно-поисковые) скважины и используют геофизические методы поиска.

Бурение структурных скважин глубиной 300 – 500 м проводится на опорные горизонты по которым устанавливают антиклинальные структуры нижележащих пластов.

Рис. 2.7. Структурная карта

Г е о ф и з и ч е с к и е методы включают гравитационную разведку (измерение силы тяжести), магнитную разведку (измерение магнитного поля), сейсмическую разведку (измерение скорости распространения взрывных волн) и другие. Геофизическими методами с различной степенью приближения изучают земную толщу на глубинах несколько десятков километров.

Наша планета – это огромный магнит, вокруг которого расположено магнитное поле, на характеристику которого влияют породы, слагающие земную кору. Магматические породы более магнитоактивные, чем осадочные и над местом их залегания возникает магнитная аномалия. Магниторазведка применяется для определения положения пород кристаллического фундамента, так как они наиболее магнитовосприимчивы, а его рельеф во многом определяет особенности геологического строения залегающих выше осадочных пород.

Магниторазведка ведется обычно в комплексе с гравитационной разведкой, основанной на изучении силы тяжести в земле, которая непостоянна. У полюсов она больше, чем у экватора, на участках развития плотных тяжелых пород она будет больше нормальной. Измеряя силу тяжести определяем мощность и глубину залегания фундамента на платформе, а также осадочной толщи и ее мощности. Измеряется гравиметром.

Суть электроразведки заключается в изучении естественного или искусственно создаваемого электрического поля. Электропроводимость пород характеризуется удельным электрическим сопротивлением. Сопротивление осадочных пород сильно колеблется : при насыщении их водой оно уменьшается, при наличии нефти резко возрастает. Зная величину сопротивления горных пород, можно определить и условия их залегания, определить локальные поднятия. Измерение силы тока и разности потенциалов производят при помощи чувствительных гальванометров и потенциометров (рис.2.8).

Рис.2.8. Искусственно созданное электрическое поле при электроразведке

Наиболее эффективными для поисков структур являются сейсмические методы разведки, основанные на изучении распространения в земных слоях упругих колебаний. Если произвести в каком либо пункте взрыв заряда, заложенного на некоторой глубине, в земной коре будут распространяться упругие волны. Моменты прихода этих колебаний в различных пунктах регистрируются приборами.

Известно, что взрывные волны, переходящие в звуковые, в воздухе распространяются со скоростью около 332 м/с. скорость их распространения в горных породах различна и зависит от плотности пород. Например, в глинах достигает 2 км/с, в известняках от 3 до 5.5, в кристаллических породах 4.5 - 7.0 км/с.

От места взрыва волны распространяются в разные стороны. Часть из них движется в глубину до встречи границы, разделяющую породы с разными плотностями. Здесь волны преломляются и частично отражаются, которые, достигнув дневной поверхности, регистрируются специальными приборами – сейсмоприемниками (рис.2.10).

Рис.2.9 Принципиальная схема сейсморазведки 1. Сейсмоприемники; 2. Точка взрыва. Пунктирные линии – «трассы» сейсмических волн