Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Большая часть  нефтеносных и газоносных пластов  имеет проницаемость от 100 до 2000 мд. Глинистые породы имеют проницаемость в тысячные и десятитысячные доли миллидарси, поэтому они практически непроницаемы.

Характерной особенностью продуктивных пород нефтяных и газовых месторождений является то, что проницаемость их по горизонтали (параллельно напластованию) больше проницаемости этих же пород в направлении, перпендикулярном напластованию. Это объясняется большей уплотненностью пород перпендикулярно напластованию.

При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в пористой среде движутся нефть, газ, вода или нефте-, водогазовые смеси. В зависимости от того, что движется в пористой среде и каков характер движения, проницаемость одной и той же среды может быть различной. Поэтому для характеристики проницаемости нефтесодержащих пород введены понятия абсолютной, фазовой (эффективной) и относительной проницаемости.

Абсолютной  проницаемостью называется проницаемость пористой среды при движении в ней лишь одной какой- либо фазы (газа или однородной жидкости). Абсолютной проницаемостью принято считать проницаемость пород, определенную по газу (азоту).

Фазовой (эффективной) проницаемостью называется проницаемость породы для данных газа или жидкости при содержании в породе многофазных систем. Фазовая проницаемость зависит от физических свойств породы и степени насыщенности ее жидкостью или газом.

Относительной проницаемостью пористой среды называется отношение фазовой проницаемости этой среды к абсолютной ее проницаемости.

При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений  чаще всего в породе присутствуют и движутся две и три фазы одновременно. В этих условиях проницаемость породы для одной какой- либо фазы всегда меньше ее абсолютной проницаемости.

Исследования показывают, что эффективная и относительные  проницаемости для различных  фаз находятся в тесной зависимости  от нефте-, газо- и водонасыщенности порового пространства породы и физико-химических свойств жидкостей.[9.35]

Удельная поверхность  породы

Одной из важнейших  характеристик горной породы является ее удельная поверхность, т. е. суммарная поверхность частиц, содержащихся в единице объема породы.

Вследствие  малых размеров отдельных зерен  и большой плотности их укладки общая поверхность порового пространства горной породы достигает огромных размеров.

От удельной поверхности смачивания горной породы жидкостью в условиях колоссального количества мелкокапиллярных пор и поровых каналов в пласте зависят действие молекулярных сил, адсорбционная способность породы и наличие «связанной» воды.

Чтобы представить  себе примерные размеры поверхности  поровых каналов песчаных пластов, достаточно определить суммарную поверхность песчинок в объеме 1 см³ фиктивного грунта, состоящего из песчинок шарообразной формы и одинаковой величины.

Если обозначить через п — число песчинок в 1 см³ такого грунта, r — радиус песчинок, f — поверхность одной песчинки, V — объем песчинки и т — пористость, то поверхность одной песчинки будет равна f = 4πr², а объем одной песчинки V = ⁴/₃ πr³.[5.37]

Суммарная поверхность песчинок в 1 см³ такой породы

               1(1-m)                 3  (1-m)                 3(1-m)

S = nf = ----------- 4πr² = --------------- 4πr² = -----------.                                        (1.5)

                    V                    4     πr³                         r

Механические  свойства горных пород

Среди механических свойств горных пород наибольшее значение для бурения скважин  и эксплуатации нефтяных месторождений  имеют упругость, прочность на сжатие и растяжение и пластичность. Например, упругие свойства пород, т. е. способность  их изменять свой объем с изменением давления, влияют на перераспределение давления в пласте в процессе его эксплуатации.

При проектировании и осуществлении механических способов воздействия на призабойные зоны скважин с целью увеличения их производительности (торпедирование, гидравлический разрыв пласта) необходимо знать прочностные свойства пород, складывающих данный пласт.

Пластические  свойства твердых пород, т. е. способность  их деформироваться под большим  давлением без образования трещин или видимых нарушений, проявляются при бурении скважин на большие глубины. На большой глубине твердая порода может «вытекать» в скважину под действием высокого горного давления залегающих выше пластов. Образование складок в земной коре с плавными изгибами, вогнутостями и выпуклостями также обязано пластическим свойствам горных пород.

Пластические  свойства горных пород изучены еще  мало. Предполагается, что «пластичность» твердых пород (песчаников, известняков) зависит от многочисленных микротрещин, позволяющих породе скользить, опускаться и подниматься вдоль этих трещин.

При разработке нефтяных и газовых месторождений  и эксплуатации скважин наиболее часто приходится сталкиваться с упругими и прочностными свойствами горных пород. Об упругих свойствах горной породы судят по величине ее коэффициента сжимаемости. Если образец породы подвергать внешнему давлению, то объем образца и объем его порового пространства будут сокращаться. При снятии давления объем образца и его пористость восстанавливаются до прежней величины.

Исследования показывают, что для большинства изученных  пород нефтяных и газовых месторождений  уменьшение или увеличение объема их, а следовательно, и порового пространства с изменением давления происходит согласно закону Гука:

 ∆V_пор/V₀ = βp                                                                                                (1.6)

где ∆V — изменение объема (в м³) пор керна при изменении пластового давления на ∆р (в Па); V₀ — объем керна, м³; β—коэффициент объемной упругости пористой породы, м²/Н:

β = ∆V/V∆p.                                                                                                   (1.7)

 Под прочностью горных пород понимается сопротивление их механическому разрушению. Горные породы оказывают значительное сопротивление при сжатии. Прочность же пород на разрыв, изгиб и сдвиг составляет всего лишь десятые и сотые доли от прочности их на сжатие.

Прочность пород на сжатие зависит от целого ряда факторов. Прочность  известняков, например, уменьшается с увеличением в них глинистых частиц. Песчаники обладают наименьшей прочностью на сжатие, когда цементирующим материалом в них является известковый цемент. Прочность пород зависит также от их зернистости, плотности и влажности.[9.39]

 

2. Геологическая характеристика месторождений

(стратиграфия, тектоника, нефтегазоносность, гидрогеология.)

Геологическая характеристика месторождений предусматривает описание геологического строения месторождения и конкретной залежи с характеристикой коллекторных свойств продуктивных пластов и физико-химических показателей нефти, газа и воды, а также природного режима залежи.

При изучении геологической характеристики месторождения его продуктивность устанавливается не по результатам геофизических исследований и определения емкостных и фильтрационных параметров залежи, а путем опробования скважин. Опробование поисковых и разведочных скважин осуществляется испытателями на кабеле (это менее достоверный и менее информативный способ) и на трубах. Опробование отдельных интервалов продуктивного разреза испытателем на трубах позволяет не только подтвердить наличие газа, нефти или воды на испытуемом интервале, но и получить качественную оценочную величину коэффициента продуктивности. Такие данные весьма полезны для подсчета запасов газа и нефти, но они не могут быть приняты для определения продуктивности проектных скважин. Поэтому проектировщик должен не только ориентироваться на результаты опробования отдельных небольших интервалов, а изучить состояние качественных газогидродинамических исследований имеющихся скважин. При этом необходимо особое внимание уделять на общую, эффективную и вскрытую толщину исследуемой скважины, определить интервалы, охваченные перфорацией. Эти сведения проектировщик должен использовать при обосновании продуктивности проектных эксплуатационных и нагнетательных скважин.

Геологическая характеристика, кроме строения месторождения, включает в себя и большое количество параметров пористой среды, насыщающее ее флюидов и их взаимодействия. К этим параметрам относятся: стратиграфия, тектоника, нефтегазоносность, гидрогеология. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Стратиграфия (от лат. stratum — настил, слой и греч. grapho — пишу, описываю) — раздел геологии, изучающий последовательность формирования комплексов горных пород в разрезе земной коры и первичные их соотношения в пространстве. Стратиграфия обеспечивает историзм всех других отраслей геологии, создаёт геохронологическую основу для изучения геологических процессов, развития геологических объектов, регионов и земной коры в целом, а также для геологического содержания. Стратиграфия тесно связана с исторической геологией, палеонтологией, геохронологией, литологией,

геологией полезных ископаемых осадочного генезиса, в т.ч. с геологией нефти и газа, угольной геологией.

Объект  стратиграфии — нормально пластующиеся геологические тела, сложенные осадочными, вулканогенными и метаморфическими породами. Стратиграфическое подразделение (стратон) — совокупность горных пород, составляющих определённое единство и обособленных по признакам, позволяющим установить последовательность их формирования и положение в стратиграфическом разрезе. Ряд исследователей включает в объекты стратиграфии все магматические образования. Основные задачи стратиграфии: расчленение разрезов и установление местных стратиграфических подразделений (комплекс, серия, свита, пачка); корреляция стратиграфических подразделений и составление стратиграфических схем; создание общей стратиграфической шкалы с учётом периодизации геологической истории земной коры.

Стратиграфия  использует палеонтологические, литологические (в т.ч. ритмостратиграфические), геохронологические, климатостратиграфические, геохимические, геофизические (в т.ч. магнито- и сейсмостратиграфические) методы.

Различают общую  стратиграфию, разрабатывающую принципы науки, проблемы классификации, терминологии и номенклатуры, стратиграфические корреляции и методологии, а также общую стратиграфическую шкалу и региональную стратиграфию, обеспечивающую стратиграфическую основную геологическую съёмку и картирование, поисковые и разведочные работы.

Тектоника (от греч. tektonikós — относящийся к строительству), геотектоника, отрасль геологии, изучающая структуру земной коры и её изменения под влиянием механических тектонических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом. Основная задача тектоники — изучение современной структуры земной коры, то есть размещения и характера залегания в её пределах различных горных пород, и закономерных сочетаний структурных элементов разного порядка — от мелких складок и разрывов до континентов и океанов, а также выяснение истории и условий её формирования.

Тектоника связана со многими отраслями  геологии, в особенности со стратиграфией, петрографией, литологией, палеогеографией, учением о полезных ископаемых.

         В тектонике выделяют несколько научных направлений:

1)   Общая или морфологическая тектоника (называется также структурной геологией) изучает различные типы структурных элементов литосферы.

2)   Региональная тектоника исследует современное распространение таких структурных форм в пределах отдельных участков земной коры или литосферы в целом, а также разрабатывает вопросы тектонического районирования, основываясь на данных геологической съёмки и различных (главным образом сейсмологических) геофизических методов.

3)   Историческая тектоника изучает историю тектонических движений и формирования отдельных структурных элементов земной коры и её структуры в целом, намечает основные этапы и стадии развития, выявляет его общие закономерности. Историческая тектоника использует методы историко-тектонического или палеотектонического анализа.

4)    Генетическая или теоретическая тектоника обобщает закономерности развития земной коры и её структуры, установленные региональной и исторической тектоникой с целью создания общей теории развития структуры земной коры. Этот раздел тектоники исследует также причины тектонических движений и механизм формирования отдельных видов тектонических нарушений и структурных элементов земной коры. При этом применяются различные методы и прежде всего структурный анализ, восстанавливающий последовательность и условия образования нарушений (складок, трещин, разрывов со смещением и т. п.); в зависимости от масштаба исследований различают детальный, региональный и глобальный структурные анализы и, кроме того, микро- или петроструктурный анализ, основывающийся на изучении ориентировки породообразующих минералов и других линейных элементов структуры горных пород. Конечная цель структурного анализа — восстановление полей напряжений, создавших те или иные структурные формы. Метод сравнительной тектоники заключается в сравнительном изучении возможно большего числа структурных элементов одного класса для выявления их типоморфных особенностей и установления последовательности развития.

Нефтегазоносность – это отношение объема нефти, содержащейся в открытом, пустотном пространстве к суммарному выделению.

Гидрогеология — наука, изучающая подземные воды, их химический состав, характер движения и связь с геологическими условиями. В таком понимании этот термин используется и европейскими учеными.