ФИЗИКА НЕФТЕГАЗОВОГО ПЛАСТА
Лекция № 1
Введение.
Типы породколлекторов.
1
Расписание
Третий курс, группы О-618-А, Б.
Вторник
8.30
10.25
12.35
Неделя 1
Физика нефтегазового
пласта (Лекция).
Неделя 2
Физика нефтегазового пласта
(Лекция + Практика).
14.30
16.20
ЛЕКТОР – ТОПОРОВ Валерий Геннадиевич
Ассистент – Зоя Васильевна
E-mail: valerytop@ukr.net
2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фык М.И. Петрофизика нефтегазовых коллекторов и
флюидоупоров : учебное пособие для студентов
образовательно-квалификационного уровня магистр
направления «Геология» и «Добыча нефти и газа» / М.И. Фык,
С.И. Горелик,
Я.А. Раевский; Под ред. И.М. Фыка. –
Харьков : 2015. - 132 с.
2. Лабораторный и расчетный практикум по курсу «Физика
нефтяного и газового пласта» /Е.П.Варавина, В.Г.Топоров,
М.Я.Бурова, Е.А.Яцкевич. Х.: НТУ «ХПИ», 2016, 88с.
3. Сваровская Н. А. Физика пласта: Учебное пособие. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2003. – 155 с.
4. Гиматудинов Ш. К. и др. Физика нефтяного и газового пласта.
- М.: Недра, 1982. - 312 с.
5. Сборник задач по физике пласта: практикум по дисциплине
«Физика пласта» для студентов направления «Нефтегазовое
дело» / сост. А.Т. Росляк и др. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2009. – 94 с.
3
ФИЗИКА НЕФТЕГАЗОВОГО ПЛАСТА
Физика нефтяного и газового пласта – это наука,
объектом изучения которой являются физические
свойства пород нефтяных и газовых коллекторов,
физические процессы, протекающие в продуктивном
пласте, а также свойства пластовых жидкостей и газов
в различных естественных и искусственных условиях.
Другое название предмета – Петрофизика
Петрофизика (от греческого πέτρα, Петра, «скала,
камень, горная порода» и φύσις, Physis, "природа")
изучает физико-химических свойств горных пород и
их взаимодействие с жидкостями.
5
6
Важность дисциплины
«Физика нефтяного и газового пласта»:
Процессы разработки и эксплуатации нефтяных, газовых и
газоконденсатных месторождений тесно связаны с
закономерностями фильтрации углеводородов и воды в горных
породах, слагающих продуктивные пласты.
Поэтому свойства горных пород и пластовых жидкостей
предопределяют рациональную технологию разработки
залежей нефти и газа и экономические показатели их
извлечения из недр.
Материалы физики пласта служат основой, на которой строятся
все последующие специальные дисциплины, определяющие
специализацию инженера, работающего в области добычи
нефти, газа и конденсата.
7
Этот курс открывает понимание откуда у газа и нефти «ноги
растут», понимание, что в земных недрах нефть и газ это не реки и
озера и что углеводороды находятся в пористых средах горных
пород – в так называемых «ловушках», которые обладают
специфическими физико-химическими свойствами и требуют
глубоких знаний специалистов геологов, разработчиков и
технологов занимающихся геологией, разведкой и разработкой, а
так же эксплуатацией нефтяных и газовых месторождений.
8
Основные задачи физики нефтяного и газового пласта:
1) Изучение строения нефте-газо содержащих пластов и
физических свойств пород, которые их образуют, в том числе
пород, которые вмещают нефть и газ, а также разделяют,
экранируют или подстилают.
2) Изучение свойств горной породы пласта, а также нефтей,
газов и вод в пластовых и поверхностных условиях.
3) Изучение взаимодействия пластовых флюидов с породами.
4) Изучение капиллярных и поверхностных явлений, которые
проявляются в пористой среде при движении пластовых
флюидов, оказывающих влияние на нефте-газо отдачу.
5) Изучение взаимосвязей между физическими свойствами
пород и создание так называемой «базы» для интерпретации
промысловой геофизики, гидродинамических исследований
скважин, подсчета запасов месторождений нефти и газа, что в
конечном итоге необходимо для оценки и более полного
извлечения углеводородов из недр земли.
9
Далее будем выделять основные термины нашего
предмета:
Слой, пласт, напластование, формация - серия
напластований осадочных пород, образующих
единую геологическую структуру.
Под горной породой понимается естественный
твердый минеральный агрегат определенного
состава и строения.
Флюид – жидкость, газ или смесь жидкости и газа,
т.е. всякая текучая среда именуется общим
термином флюид, если не ставится задача выделить
характерные особенности движения данной среды.
10
Коллекторами нефти и газа
называют горные породы,
содержащие пустоты (поры,
каверны или системы
трещин) и обладающие
способностью
аккумулировать
(накапливать) углеводороды
и отдавать (фильтровать)
пластовые флюиды: нефть,
газ, воду при наличии
перепада давления.
Нефтегазовый пласт – представляет собой продуктивные
отложения из пород - коллекторов, которые ограничены
кровлей и подошвой слабопроницаемых пород при
сохранении пластового характера на значительной площади.
11
Насыщенные нефтью и газом породы-коллекторы называются
соответственно
нефтеносными
или
газоносными.
Толщина
продуктивных нефтеносных и газоносных пластов может колебаться от
нескольких метров до десятков, а иногда и сотен метров. Протяженность
(ширина и длинна) таких пластов-коллекторов может достигать десятков
километров.
Скопления нефти, газа, конденсата и других полезных сопутствующих
компонентов, сосредоточенные в ловушке, ограниченные поверхностями
разного типа, в количестве, достаточном для промышленной разработки,
называется - залежью.
12
К основным физическим свойствам горных
пород – коллекторов относятся:
1) гранулометрический (механический) состав пород;
2) пористость;
3) проницаемость;
4) капиллярные свойства;
5) удельная поверхность;
6) механические свойства (упругость, пластичность,
сопротивление разрыву, сжатию и другим видам
деформаций);
7) тепловые свойства (теплоемкость, теплопроводность);
8) насыщенность пород водой, нефтью и газом в различных
условиях;
9) электрические свойства горных пород.
10) радиоактивность горных пород
13
Горные породы по происхождению (генезису) разделяются:
14
1. Осадочные — горные породы, существующие в термодинамических
условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и
образующиеся в результате отложения продуктов выветривания и
разрушения различных горных пород, химического и механического
выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех
трёх процессов одновременно. К этому виду пород относятся: пески,
песчаники, глины, доломиты, алевролиты, известняки и др.
15
Осадочные горные породы разделяют:
По месту образования
В зависимости от условия и места образования осадочные
породы подразделяют на
КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ – это отложения,
образованные на суше или во внутриматериковых водоемах.
Как правило, осадочные горные породы образуются в ходе
выветривания материнской породы и видоизменяясь под
влиянием факторов внешней среды, при помощи водных потоков
и ветров переносятся на участки, где существуют благоприятные
условия для его накопления.
МОРСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Осадочные образования на дне современных и древних морей
и океанов. Их формирование началось с появление первых
водоёмов более 3,5-4 млрд. лет назад. Это в основном известняки,
песчаники и глины. Часто включают в себя останки ископаемой
фауны и примеси легкорастворимых солей.
16
Осадочные горные породы в соответствие с
условиями образования или генезиса
подразделяются на следующие классы:
17
1) Обломочные (терригенные).
Образуются из осколков разрушающихся пород. Поскольку
разрушение идет преимущественно на суше, обломочные породы
называют еще терригенными. Они составляют около 20% осадочных
пород. Обломки составляют в терригенных породах не менее
половины;
К этой группе относятся: пески, песчаники, алевриты,
алевролиты, глины, аргиллиты и другие осадки обломочного
материала.
Алевриты - состоят преимущественно из минеральных зерен (кварц,
полевой шпат, слюда и другие) размером 0,01—0,1 мм, занимая
промежуточное положение между глиной и песком. Алевролит сцементированная осадочная горная порода, сложенная более чем на 50%
частицами алевритов.
Аргиллит (от др.-греч. ἄργιλλος — «глина» и λίθος — «камень») —
твёрдая, камнеподобная глинистая горная порода, образовавшаяся в
результате уплотнения, дегидратации и цементации глин
18
Горные породы этой группы образовываются в ходе разрушения
материнской породы различными факторами внешней среды, такими
как ветер, лед, волны или водные потоки различного происхождения, и
переносятся ими в места накопления, где аккумулируются и
превращаются в твердую породу. Характерной особенностью их является
сортированность (зональность) толщи по размерам частиц.
19
2) Хемогенные.
Образуются на дне водоемов при химическом осаждении из
растворов или при испарении воды минеральных солей, без
участия биологических процессов.
Из этого класса можно выделить: каменная соль, гипсы,
ангидриты, доломиты, некоторые известняки и др.
20
3) Органогенные (биогенные).
Образуются в результате жизнедеятельности животных и
растительных организмов. Они покрывают значительные площади дна
Мирового океана; встречаются также в современных континентальных
отложениях (озерных, речных, болотных и др.). Структура биогенных
пород называется органогенной, если порода в значительной степени
состоит из раковин или скелетов организмов, сохранивших свою форму.
К этому классу
относятся: мел,
известняки
органогенного
происхождения и
другие окаменелые
останки животных и
растительных
организмов и др.
21
4) Смешанные.
В составе, которых существенную роль играют несколько
компонентов либо разной размерности (крупности) частиц,
либо разного химико-минералогического состава и
происхождения.
К этой группе относятся: мергели, глинистые пески,
песчанистые глины, доломитовые известняки и известковые
доломиты и др.
Мергель - осадочная горная порода смешанного
глинисто-карбонатного состава: 50 — 75 % карбонат
(кальцит, реже доломит), 25 — 50 % — нерастворимый
остаток (SiO2 + R2O3).
22
2. Магматические (изверженные) — горные породы, образовавшиеся
из магмы (расплавленной массы преимущественно силикатного состава,
образованной в глубинных зонах Земли), в результате её поступления в
верхние горизонты Земли, охлаждения и застывания.
Магматические
породы являются
первичными и не
претерпели
существенных изменений
с момента образования.
Глубинные горные
породы характеризуются
отсутствием пор, высокой
прочностью, твердостью и
морозостойкостью.
Характерными их
представителями
являются: базальты,
граниты, диориты и др.
23
Магматические горные породы. По светлым полосам можно
определить направление потоков лавы.
24
3. Метаморфические — горные породы, образованные в толще
земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных и
магматических горных пород вследствие изменения физикохимических условий. Благодаря движениям земной коры, осадочные
горные породы и магматические горные породы подвергаются
воздействию высокой температуры, большого давления и различных
газовых и водных растворов, при этом они начинают изменяться.
25
Метаморфическая горная порода, расслоившаяся по двум
перпендикулярным направлениям
26
Магматические и метаморфические горные породы не являются
типичными коллекторами. Нахождение в этих породах нефти и газа
- это следствие миграции углеводородов в выветренную часть
породы, где в результате химических процессов выветривания, а
также под воздействием тектонических процессов могли
образоваться вторичные поры и трещины.
Анализ показывает, что около 60% запасов нефти в мире
приурочено к осадочным породам, имеющим высокие
коллекторские свойства (Обломочные и Органогенные). Многие
залежи нефти и газа приурочены к коллекторам, сложенным в
основном карбонатными породами (Хемогенные) — известняками,
доломитами и др. это - 39% мировых запасов, и только 1% запасов –
к выветренным метаморфическим и изверженным породам.
Следовательно, породы осадочного происхождения – основные
коллекторы нефти и газа.
27
Нефть и газ в породе заполняют пустотное пространство,
которое представлено порами, кавернами или трещинами.
• Поры – это пространство
между зернами минерала
(обломками) породы, которое
образовалось в результате
неплотного прилегания их
поверхностей между собой и
не заполненного твердым
веществом (цементом).
• Каверны – это пустоты в породе, которые образовались
вследствие выщелачивания отдельных компонентов
породы или их перекристаллизации.
• Трещины – это пустоты в породе, которые образовались
вследствие разрывов сплошности скелета породы после
тектонических процессов.
28
Нефте-газовый пласт представляет собой горную породу,
пропитанную нефтью, газом и водой.
Обычно нефте-газовые пласты бывают
многослойными и редко бывают монолитными.
Обычно нефте-газовые пласты состоят из
нескольких проницаемых слоев с нефтью, газом
и водой, разделенных непроницаемыми
прослоями, имеют общую толщину и
эффективную толщину. Эффективная толщина это суммарная толщина проницаемых слоев.
Схема нефтегазового месторождения: А – газовый
пласт; Б и В – нефтяные пласты
Свойства горной породы вмещать (обусловлено
пористостью горной породы) и пропускать (обусловлено
проницаемостью) через себя жидкости и газы называются
фильтрационно-ёмкостными свойствами (ФЕС).
29
С геометрической точки зрения все коллектора можно
подразделить на три группы: гранулярные (поровые),
трещиноватые и смешанные.
30
К первому типу
(гранулярные или
поровые) относятся
коллекторы, сложенные
песчано-алевритовыми
породами, поровое
пространство которых
состоит из межзерновых
полостей. Подобным
строением порового
пространства
характеризуются также
некоторые пласты
известняков и доломитов
Шлиф пористого коллектора:
1-зерна (частицы);
2-цемент (кальцит);
3-глина;
4-поровое пространство.
31
В чисто трещиноватых
коллекторах (обычно
сложенных преимущественно
карбонатными отложениями,
сланцами) 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.
Схема трещиноватого
коллектора:
1-трещины;
2- малопроницаемые блоки.
32
На практике, однако, чаще
встречаются трещиноватые
коллекторы смешанного типа,
поровое пространство
которых включает как системы
трещин, так и поровое
пространство блоков, а также
каверны и карст.
Карст представляет собой
процесс растворения или
выщелачивания
трещиноватых растворимых
горных пород подземными и
поверхностными водами
Схема трещиноватопористой среды:
1-трещины;
2-пористые блоки.
33
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.
Следующая тема - гранулометрический
(механический) состав пород.
34
Основные понятия:
Слой, пласт, напластование, формация - серия напластований
осадочных пород, образующих единую геологическую
структуру.
Под горной породой понимается естественный твердый
минеральный агрегат определенного состава и строения.
Коллектор - горная порода, содержащая нефть и газ,
«отдающая» их при разработке месторождений.
Флюид – жидкость, газ или смесь жидкости и газа.
Пластовые флюиды - нефть, вода и газ, содержащиеся в
продуктивных пластах.
Керн - образец горной породы, отобранный из продуктивного
нефтегазоносного коллектора.
Фильтрационно-ёмкостные свойства (ФЕС) горной породы –
способность вмещать (обусловлено пористостью горной
породы) и пропускать (обусловлено проницаемостью) через
35
себя жидкости и газы.
Core Samples
Образцы керна
36
Спасибо за внимание!
37