Курс лекций по "Нефтедобыче"

Курс лекций по нефтедобыче.

Лекция №1

Приветствие ... .   Представление себя... . Представление  курса  «Общего  заводского хозяйства». (ОЗХ)

ПРОДУКТИВНЫЙ ПЛАСТ

Земная кора состоит  преимущественно из трех типов горных пород - вулканических, метаморфических и осадочных. Хотя нефть и газ присутствуют во всех трех типах пород, чаще всего они ассоциируются с осадочными породами. Известны различные пути образования осадочных пород, но основной путь - это отложение под действием ветра или воды или химическое осаждение (нап-ример, выщелачивание). Осадочные материалы подразделяются на обломочные породы (песчаники, сланцы), карбонатные породы (некоторые известняки) и доломиты.

Хотя осадочные породы ассоциируются с нефтью, далеко не всегда они содержат нефть. Согласно большинству теорий, для образования нефти необходимы остатки растений и животных, а также определенные температуры и давления. Каким же образом создавались такие условия?

Все мы знаем, ещё со школы, что жизнь появилась в обширных морях и внутренних озерах, которые покрывали значительную долю современных материков. По мере гибели огромного количества морских растений и животных их остатки быстро опускались вниз водоема и были захоронены в иловых отложениях, которые постепенно собирались на дне (рис. 3.1).

Реки переносили огромные количества ила и песка, которые затем  разносились течениями и распространялись за пределы постоянно меняющейся береговой линии морей. Они присоединя-лись к остаткам морских организмов, собирающихся на морском дне и в дельтах рек, где на них многократно оседали новые слои. Ил и морская вода предохраняли вещество от дальнейшего разложения. По мере накопления новых слоев органического вещества, песка, ила, глины и извести и с течением времени масса покрывающих отложений оказывала огромное давление на лежащие ниже осадочные слои. С увеличением массы отложений подстилающий слой постепенно опускался, формируя и сохраняя плотные слои ила, песка и карбонатов. В конце концов они преобразовывались в осадочные горные породы. Огромное давление в сочетании с высокой температурой, действием бактерий и химическими реакциями и привело к образованию сырой нефти и природного газа.

Доказательством состоятельности  этой теории является наличие в природе залежей торфа и угля. Можно предположить, что торф – это одна из первых стадий образования нефти и газа. Ведь торф образуется в заболоченных местах в результате накопления и уплотнения отмерших растений и животных, и залегают пласты торфа всего на несколько метров от поверхности земли.

Следующей стадией метаморфических превращений отмерших растений и животных является - каменный уголь. Месторождения или пласты каменного угля залегают на глубине от десятков метров от поверхности до нескольких сотен метров и даже километров. И возможно со временем пласты каменного угля под воздействием высокого давления, всё образующихся и образующихся верхних пластов, и высокой температуры, которая увеличивается при движении в глубь к центру  земли, - станут источниками образования нефти и газа.

                        Накопление и залегание

Вопреки распространенному  мнению, нефть и газ не залегают в виде больших рек и озер под земной поверхностью (хотя мы и говорим о нефтяных пластах). На самом деле углеводороды -сырая нефть и природный газ, образованные из углерода и водорода, входящих в состав остатков древних растительных и животных форм, — находятся в виде флюидов в пространстве пор осадочных пород.

Вернемся к донным отложениям, которые мы обсуждали выше. Слой ила, содержащий  первоначально разлагающиеся остатки растений и животных, называется  -   материнским пластом . Материнский пласт включает темные морские сланцы и морской известняк. В результате постоянного сжатия материнского пласта, содержащего отложения, которые при этом трансформировались, повышались давление и температура, достаточно высокие для того, чтобы нефть и газ выходили наружу из материнской породы и накапливались в прилежащих пористых и проницаемых породах (рис.3.2), таких как песчаники, карбонатные породы (известняки) и доломиты. Эти породы являются хранилищами мигрирующих углеводородов и называются - породы-коллекторы.

Но как же может  нефть или газ проходить через  скальную породу? Разве порода не твердая? В действительности нет. Конечно порода твердая, но не монолитная. В горной породе находится множество крошечных пустот, которые называются - порами (рис.3.3). Эти поры являются пространством между отдельными зернами, которые и составляют породу-коллектор. В одних горных породах имеются большие поры, в других - маленькие. Отношение объема пор к общему объему породы называется - пористостью, которая обычно выражается в процентах. Например, пористость хорошего песчаника может достигать 30%, а плотный известняк может иметь пористость всего 5%. Таким образом, чем больше объем пор, тем выше способность горной породы удерживать значительные объемы нефти.

Помимо наличия достаточного пустого пространства в порах  необходимо, чтобы углеводороды могли  перемещаться из одной поры в другую и в результате оказаться ближе  к поверхности. Легкость, с которой жидкость или газ проходит через соединенные друг с другом пустоты в горной породе, характеризуется - проницаемостью. Чем выше проницаемость горной породы, тем легче углеводороды перемещаются внутри нее из одной поры в другую.

Понятие пористости можно  проиллюстрировать следующим примером. Возьмите две банки одинакового объема. Одну наполните сухим песком, а другую — водой. Теперь медленно переливайте воду в банку с песком. Если вам удастся полностью переместить содержимое банки с водой в песок без переливания через край, то пористость составляет 50%, если только половину банки — 25% и т.д.

Таким образом, крошечные  промежутки между частицами в  осадочной породе образуют пустоты, в которых могут накапливаться нефть и газ. А крошечные трещины в горных породах позволяют нефти и газу выходить из материнских пород и проходить через породы-коллекторы.

Далее они продолжают подниматься сквозь пористые породы, пока не достигают слоя непроницаемой горной породы и таким образом оказываются в ловушке.

Откуда берутся эти слои и ловушки? Вспомните, что осадочные горные породы в основном залегают в виде горизонтальных слоев или неглубоких наклонных участков, которые называются напластованиями (или пластами) (см. рис. 3.1). По мере осаждения новых слоев нижние слои сжимались и уплотнялись, превращаясь в горную породу. Однако большая часть горных пород недостаточно прочна, чтобы выдерживать перемещения и давление земной коры, поэтому они деформируются.

Одним из видов деформаций являются складки, они, как правило, образуют горные сооружения, такие как Скалистые горы (рис.3.4). Складки различаются по размерам — от небольших морщин до огромных арок или впадин, занимающих сотни километров. Складки, направленные вверх, или арки, называются - антиклиналями, а складки, направленные вниз, впадины, - синклинолями. Складки могут быть симметричными, с одинаковыми крыльями с обеих сторон, а могут быть асимметричными, когда одно крыло круче, чем другое. Очень короткая антиклиналь, свод которой снижается от верхней точки во всех направлениях, называется - куполом. Купола очень важны для поиска нефти, так как именно с этими структурами была связана первая теория, позволяющая научно обосновать поиск и разведку нефти и газа.

Другим видом деформации горной породы является сброс. Практически все породы имеют разломы и образуют трещины, так называемые линии кливажа. Если слои породы по одну сторону от линии кливажа смещаются в направлении, противоположном их смещению по другую сторону, образуется сброс. Величина сбросов горных пород может изменяться от нескольких сантиметров до километра или даже многих километров, как, например, Сан-Андреас в Калифорнии. Сбросы подразделяют на нормальные, обратные, открытые и поперечные, в зависимости от вида смещения (рис.3.5).

В нормальных и обратных сбросах смещение происходит вверх и вниз, а в случае открытых и поперечных сбросов пласты смещаются в основном в горизонтальном направлении. Сбросы могут быть смещены одновременно и вертикально, и горизонтально.

Другим результатом движения земной коры является уничтожение или частичное предотвращение отложения ряда осадочных пород, которые присутствуют в других местах. Такую глубинную эрозионную поверхность называют - несогласное напластование (рис. 3.6). Оно также имеет важное значение, так как может выступать в качестве ловушки.

Движение земной коры — очень  важный фактор в геологии нефти, поскольку  оно позволяет сформировать структуру (ловушку), которая улавливает нефть и газ. Не забывайте, что нефть или газ продолжает постоянно перемещаться вверх, двигаясь при этом иногда вертикально, иногда горизонтально, пока наконец не оказывается в ловушке, образованной какой-либо деформацией в пласте или слое.

Ловушки делятся на три основных типа — структурные, стратиграфические и комбинированные. В структурных ловушках в породе-коллекторе нефть и/или газ задерживаются вследствие структурных особенностей (складка или сброс). Данные структурные особенности создаются в результате движения земной коры. Стратиграфические ловушки удерживают нефть и/или газ вследствие изменения литологии горной породы, т.е. типа породы или ее пористости. Наконец, комбинированные ловушки включают в себя особенности как структурных, так и стратиграфических ловушек (рис. 3.7).

Таким образом, для  накопления залежей нефти и газа необходимы три фактора. Во-первых, нужен источник нефти и газа. Во-вторых, должна быть порода-коллектор — пористый пласт, достаточно проницаемый, чтобы жидкость могла проходить через него. В-третьих, нужна ловушка или барьер, чтобы жидкость остановилась и стала накапливаться.

                                Сегрегация нефти и газа

                   и вытеснение нефти из коллектора

Когда нефть попадает в ловушку, она вытесняет оттуда соленую воду, оставшуюся от древнего моря. Нефть всплывает на поверхность соленой воды с той же легкостью, что и на поверхность чистой воды (крупные разливы нефти в море показывают, что это действительно так). Поэтому нефть и газ продолжают перемещаться вверх, оставляя соленую воду в нижней части породы-коллектора (рис. 3.8). Газ еще легче, чем нефть, поэтому он обычно находится в самых верхних частях ловушки. Нефть, а также нефть с растворенным газом располагаются ниже, чем чистый газ. Соленая вода находится под нефтью.

Поскольку вода с растворенной солью  тяжелее, чем нефть, она не вытесняется  полностью из пространства пор ловушки. Оставшаяся вода, которая называется - реликтовой водой, заполняет меньшее пространство пор или образует пленку на поверхности частиц или зерен горной породы. Нефть и газ, таким образом, располагаются в порах, покрытых этой пленкой. Вот почему вода с растворенной солью часто поступает из скважины вместе с нефтью или газом. Когда нефть и газ попадают в ствол скважины, а затем поднимаются к поверности, они увлекают вместе с собой реликтовую воду.

Что же является движущей силой, которая  заставляет жидкость из горной породы перемещаться в ствол скважины? Иногда это перепад давления. Жидкости перемещаются из областей с более высоким давлением в области с более низким давлением. Давление в стволе скважины ниже, чем в окружающих слоях горной породы, поэтому нефть, газ и вода текут туда.

Вода также вносит свой вклад в этот процесс. Если в  верху коллектора происходит сброс  давления, вода начинает снизу подталкивать вышележащие слои нефти и газа в направлении ствола скважины. Такая ситуация называется - водонапорным режимом. Аналогично действует и газонапорный режим. Газ сосуществует с водой и нефтью в коллекторах в двух основных видах — как растворенный газ и как свободный газ. Природный газ остается в растворенном состоянии, если давление достаточно высоко, а температура достаточно низка. Когда нефть выходит на поверхность и давление сбрасывается с помощью разделительного оборудования, газ выделяется из раствора. Свободный газ обычно накапливается в верхней структурной области коллектора, где образует газовую шапку. В случае газонапорного режима ствол скважины пробуривают внутрь слоя нефти. По мере уменьшения количества нефти газ расширяется, сбрасывая давление, и заставляет нефть двигаться в сторону ствола скважины.

При эксплуатации скважины предпочтителен газ в растворенном состоянии. До тех пор пока в коллекторе имеется свободный газ в виде газовой шапки, нефть в коллекторе остается насыщен-ной растворенным газом. Наличие растворенного газа понижает вязкость (или текучесть) нефти и облегчает ее поступление к стволу скважины.

                                       Классы нефти

Один из основных способов классификации нефти — это  классификация согласно плотности по АРI. Плотность по АРI — это величина, которую определяют по формуле, предложенной Американским институтом нефти (Аmtrican Petroleum Institute, API). Основными факторами, от которых зависит плотность сырой нефти, являются, по-видимому, температура и давление ее образования. В большей части осадочных бассейнов нефть становится легче  с увеличением глубины (следовательно, плотность по АРI повышается). Более старые, глубже залегающие горные породы обычно характеризуются высокими величинами плотности по АР1, а более молодые, неглубоко залегающие пласты - низкими. Эти величины имеют важное значение для оценки возможностей продажи конкретного класса нефти.

Другим важным пунктом  классификации нефти и газа, поступающих в продажу, является количество примесей в них. Примеси присутствуют как отдельные свободные молекулы или как атомы, присоединенные к более крупным молекулам углеводородов. Наиболее широко распространенная примесь, сопутствующая сырой нефти и газу, - это сера. Сера является сильно коррозионно-агрессивной примесью, которую необходимо специально удалять на нефтеперерабатывающем заводе. Поэтому цена на высокосернистую нефть оказывается ниже, чем на нефть с низким содержанием серы. Кроме того, сера может представлять опасность при бурении скважин, если она присутствует в виде сероводорода — смертельно опасного газа, который может убить человека всего за 10 секунд.