1. Роль физики пласта в современных технологиях углеводородоизвлечения.. Физика пласта – прикладная наука, которая изучает физические свойства нефтегазовых пластов, их изменения под действием природных и технологических факторов, а так же физические процессы, протекающие в нефтегазовых пластах

2. Связь физики пласта с науками. Процессы разработки и эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений тесно связаны с закономерностями фильтрации УВ 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 извлечения их из недр. Она близка к этим наукам по методам исследования и задачам, решаемым этими науками. Осн. задачи: изучение коллекторских и фильтрационных свойств горных пород, физических и физико-механических свойств пластовых жидкостей и газов в изменяющихся условиях залегания и в исследовании физических основ повышения нефте- и газоотдачи коллекторов.

3. Роль в создании новых технологий. На современном этапе можно видеть, что залежи нефти и газа – это всё более и более трудные объекты для извлечения. Они расположены на большой глубине, в пластах с трудной нефтеотдачей. Непросты и методы исследования пластов. Так крупнейшее Штокмановское месторождение в Баренцевом море было исследовано четырьмя скважинами, а ныне число скважин возрастает до 50-60 и более (например, для площади Дыш, месторождения Ключевая - Дыш понадобилось 98 скважин). Физика пласта уделяет большое внимание методам анализа горных пород и пластовых жидкостей в условиях высоких давлений и температур. Также рассматривает вопросы повышения нефте- и газоотдачи пластов.

4 Задачи: 1.Установление физических свойств пласта состава его фаз для обоснования технологий разработки нефтяных и газовых пластов. 2.Исследование взаимосвязей физ. свойств пласта с эффективностью извлечения УВ. 3. Исследование техногенных изменений пласта в процессе разработки залежи и анализ влияния этих изменений на состояния окр. среды. 4. Исследование природных и техногенных межфазных взаимодействий. 5. Изучение физ. процессов, происходящих в пластах. 6. Обоснование принципиально новых методов разработки залежей в осложненных физико-геологических условиях. 7. Физическое обоснование повышения эффективности функционирования технологической цепи добычи и транспортировки УВ запасов 8. Изыскание методов контроля и регулирования извлечения нефти, газа и конденсата на базе анализа свойств пласта.

5. Физическое свойство пласта. Физическое свойство – способность взаимодействовать с искусственными и природными физическими полями. Конкретной числовой характеристикой является мера взаимодействия пласта с полями. Действующими полями являются: гравитационное, барическое, электромагнитное, радиационное и др. Под действием полей пласт приобретает свойство саморегуляции. Технологическое свойство пласта – его реакция на технологическое воздействие. К таким свойствам относятся: буримость (скорость разбуривания), проницаемость и проч.

6. Методы изучения физических свойств пласта:

1. Анализ керна из разведочных скважин. 2. Скважинные (каротаж) и межскважинные геофизические исследования (керн). 3. Скважинные и межскважинные гидродинамические исследования (изучение фильтрации). 4. Литологофациальный анализ. 5. Объемная сейсморазведка.

7 .Физико-технологическое свойство см. вопрос №5.

8. Виды и уровни неоднородности пласта. Проблема неоднородности заключается в том, что элементарный объём, по которому имеется информация, не соответствует объёму самого пласта. Различают слоистую и литологическую неоднородность. Уровни неоднородности пласта: 1. Тонкая 1-10см. 2. Мелкая 10-25см. 3. Средняя 25-30 см. 4. Крупная 40-100см. 5. Очень крупная >100см. Литологическая неоднородность В коллекторе, в покрышке, во флюиде имеются также другие г.п. и минералы(глина, алевролит, алеврит, вода, нефть и др.) Таким образом, имеется очень широкий спектр неоднородности пласта, который формулирует широкий спектр физических полей. П роцессы теплопереноса в одном слое могут оказывать существенное влияние на процессы вытеснения нефти в других проницаемых слоях и, в конечном счёте, даже на эффективность теплового воздействия в целом.

Уровни неоднородности.

1. Уровни атомов и ионов 0.510^-4¼210^-4 мкм

2. Уровень молекул 10^-4¼10^-3 мкм

3. Моно- и полимолекулярные слои 10^-4¼10^-1 мкм

4. Поры, заполненные жидкостью или газом 10^-4¼10³ мкм

5. Зёрна скелета 10^-3¼10⁵ мкм

6. Полости выщелачивания/каверны 10²¼10⁷ мкм

7. Прослои, линзы, включения 10³¼10⁷ мкм

9. Пласт – как многофазная система. Нефтяной пласт – гетерогенная, многокомпонентная, многофазная термодинамическая система. Гетерогенная система – система, состоящая из отдельных систем, разграниченных поверхностями раздела, причём при переходе через эти поверхности хотя бы одно из свойств изменяется скачкообразно. Выделяют следующие фазы: скелет, нефть, вода, газ, конденсат. В процессе разработки фазовая гетерогенность меняется. Термодинамическая система – совокупность макроскопических материальных тел и полей, способных взаимодействовать между собой. Всякое термодинамическое тело состоит из огромного числа частиц. Многокомпонентная система состоит из одного и более индивидуальных веществ. Компоненты – индивидуальные вещества, состоящие из одинаковых молекул и наименьшее число этих молекул необходимо и достаточно для образования всех фаз этой системы.

10 Компоненты – индивидуальные вещества, состоящие из одинаковых молекул, и наименьшее число этих молекул достаточно для образования любой из фаз. При изменении термодинамических условий из гомогенной фазы могут выделятся отдельные компоненты и образовывать новые фазы, что приводит к большим сложностям. Например, газовая фаза состоит из CH₄, С₂Н₆ и H₂S, кислород, азот, жидкая фаза –вода, нефть; твердая фаза-коллектор(карбонат, песчаник) алевролит, аргиллит.

11. Земная кора преимущественно состоит из трех типов горных пород:

1. осадочного:

   • обломочные(песчаники, сланцы)

   • карбонатные(некоторые известняки)

     • хемогенные

     • органогенные

   • доломиты

2. вулканического (туф, базальт)

3. метаморфического (конгломераты, диабазы, мрамор)

12 Нефтяной пласт – это пласт, сложенный породами с хорошей проницаемостью и заполненный нефтью. Флюид находится в пласте под большим давлением. Породы, лежащие выше продуктивного горизонта, своей массой давят на пласт. До вскрытия продуктивного горизонта давление в нем по всей площади однообразно, в момент его вскрытия это равновесие нарушается.

13 Понятие текстурно-структурной неоднородности Структура порового пространства – это характер распределения пор по размерам, форме и конфигурации, а так же по взаимному расположению пор относительно друг друга. Определяет возможность движения флюида в пласте и характеризуется однородностью. Текстура- параметр всего пласта характеризует неоднородность пласта в целом. Текстура указывает на слоистость, характер размещения и расположения пород, взаиморасположение и количественное расположение цемента. Структурно-текстурной неоднородностью характеризуется неоднородность скелета породы. В зависимости от структуры пласта можно различить:

• псафитовую(>2 мм)

• псаммитовую(0,1-2 мм)

• алевритовую(0,01-0,1 мм)

• пелитовую( менее 0,01 мм)

14. Нефтегазовым коллектором называется горная порода, обладающая физическими свойствами, позволяющими аккумулировать в ней нефть и газ, а также фильтровать, отдавать их при наличии перепада давления. Основные критерии коллектора нефти и газа – его емкостная и фильтрационная характеристики, определяемые вещественным составом, пористостью и проницаемостью, а в более общем виде – типом коллектора. Принято все коллекторы нефти и газа разделять на терригенные и карбонатные.

15. Принято все коллекторы нефти и газа разделять на гранулярные( сложены песчано-алевритистыми породами, поровое пространство состоит и межзерновых полостей), трещинные (карбонаты и сланцы, поровое пространство слагается системой пор и трещин) и смешанного строения. Трещиноватые подразделяются на пористые, каверновые и карстовые.

16 Гранулометрическим (механическим) составом породы называют количественное, как правило, массовое содержание в породе частиц различной крупности. Им в значительной степени определяются многие свойства породы: пористость, проницаемость, удельная поверхность, капиллярные свойства и т. п. По механическому составу можно судить о геологических условиях отложения пород залежи.

17. Терригенные коллекторы. Породы-коллекторы терригенного типа состоят из зерен минералов и обломков пород разных размеров, сцементированных цементами различного типа. Обычно эти породы представлены в разной мере сцементированными песчаниками, алевролитами, а также в виде смеси их с глинами и аргиллитами. Для характеристики терригенных коллекторов большое значение имеет их минералогический и гранулометрический составы. Карбонатные коллекторы. Породы-коллекторы карбонатного типа слагаются в основном известняками и доломитами.

18. Область применения гранулометрического анализа Гранулометрический анализ проводится для определения степени дисперсности минеральных частиц, слагающих породу. Гранулометрическая кривая характеризует степень неоднородности пласта по гранулометрическому составу. Степень неоднородности пород характеризуется показателем. Чем хуже коллекторские свойства, тем больше у него будет разброс по диаметрам. От степени дисперсности минералов зависят многие свойства пористой среды: проницаемость, пористость, удельная поверхность, удельная поверхность, капиллярные свойства. По механическому составу можно судить о геологических и палеогеографических условиях отложения залежи

19. Типы пустот в нефтегазовых пластах Пористость — показатель, широко используемый для характеристики коллекторских свойств пласта и определения запасов нефти и газа в залежи, бывает:

• Первичная (гранулярная)

• Вторичная (трещиноватая)

Типы пор:

• Хорошо отсортированный песчаник

• Плохо отсортированный песчаник

• Глины, содержащие замкнутые поры

• Трещинный тип

• Кавернозный тип

20. первичная и вторичная пористость. Пористость способность содержать пустоты. Она делится на первичные или гранулярные и вторичные или трещиноватые. Первичные поры по форме могут быть различной конфигурации в зависимости от гранулометрического состава:

• Ромбоидальные ( в основном высокопористые, открытопористые хорошо окатанные песчаники)

• Тетраидальные (спрессованные песчаники)

• Трещиноватые (глина, слюда)

Вторичная – связана с деформацией, выщелачиванием и другими седиментационными процессами:

• Щелевидная (могут быть в любых породах подвергающихся внешнему воздействию )

• Каверновая

21. По какому физическому принципу классифицируются поры по размерам? Также поры классифицируются по размеру. Размеры пор определяются по площади контакта поры с породой и способности фильтровать:

1. Сверхкапиллярные поры с . Через такие поры хорошо фильтруются нефть, газ, вода; для них нехарактерны эффекты на границе фаз. Такие поры характерны для высокопористых, высокопроницаемых пород.

2. Капиллярные поры с . Такие поры проявляют эффекты межфазного взаимодействия, фильтрация в них затруднена. Большую роль играют капиллярные силы, которые препятствуют фильтрации жидкости и газа.

3. Субкапиллярные поры с . Взаимодействие между твёрдой фазой и флюидом распространяется на всю пору. Размер подобных пор настолько мал, что молекулярные силы, действующие на поверхности пор, имеют существенное влияние. Если градиент давления мал – фильтрации не будет происходить.

4. Микропоры с . Через такие поры флюид практически не фильтруется. В этих порах вообще ничего не движется. Пора забита слоем, созданным молекулярными силами.

Сверхкапиллярные поры типичны для песчаников, обломочных и крупнозернистых пород, доломитов. Капиллярные – для сцементированных песчаников. Субкапиллярные соответствуют глинам, мелкокристаллическим, меловидным породам. Трещинноватость характерна для хрупких горных пород.

22. Понятие пористости как физического свойства пласта, характеризующего его емкость. Виды пористости. Под пористостью горных пород понимают наличие в породе пустот (пор), незаполненных твердым веществом. Пористость — показатель, широко используемый для характеристики коллекторских свойств пласта и определения запасов нефти и газа в залежи. Пористость характеризуется коэффициентами пористости. Коэффициент, характеризующий запасы, называется коэффициентом общей пористости

Д ля определения запасов извлекаемой нефти, т.е. для сообщающихся пор применяют коэффициент открытой пористости: k_о.п.=v_{отк.пор}/v_общ Вводят и такой параметр, как коэффициент нефтегазонасыщения, как объём пор, содержащих нефть и газ к общему объёму пор: k_н.г.=v_н.г./v_пор В соответствии с этим выделяется такое понятие как эффективная пористость: k_эф.=k_о.п.k_н.г. Т.е. это доля пор, занятых нефтью и газом, отнесённая к общему объёму пласта. В качестве меры, характеризующей полезную ёмкость пласта используется коэффициент динамической пористости: k_{динам.п.}=k_о.п.(k_н – k_о.н.н.), где k_н – коэффициент нефтенасыщения k_о.н.н. – коэффициент остаточного нефтенасыщения.

25. Понятие структуры порового пространства Структура порового пространства – это характер распределения пор по размерам, форме и конфигурации, а также по взаимному расположению пор относительно друг друга.

26 Водо-, нефте- и газонасыщенность пород. Коэффициенты, характеризующие эти свойства

Нефтенасыщение – параметр, характеризующий содержание нефти в объеме образца.

Аналогично формулируется газонасыщенность, водонасыщенность

32. 27. Емкостные свойства нефтегазовых пластов, характеристика, взаимосвязь и область применения Это проницаемость и пористость о пористости сказано выше о проницаемости ниже. Перечислите основные фильтрационные и емкостные свойства нефтегазовых пластов, дайте понятие анизотропии нефтегазового пласта

Емкостные свойства – пористость (способность вмещать флюид)

Фильтрационные свойства – проницаемость (способность пропускать жидкость)

Анизотропия –разницы свойств в различных направлениях

28 Понятие проницаемости (характеристика и физический принцип измерения). Фильтрационная способность – способность движения жидкости в пористой среде. Проницаемостью горных пород называют их способность пропускать жидкость или газ под действием перепада давления. Почти все без исключения осадочные породы обладают прони­цаемостью.

29.Физический смысл абсолютной проницаемости и принципы ее определения. Коэффициент проницаемости – физическое свойство нефтегазового пласта. Коэффициенты по газу и нефти различны. И поэтому, чтобы иметь некоторую общность ввели несколько коэффициентов. Под абсолютной проницаемостью принято понимать прони­цаемость горной породы, которая определена по жидкостям или газам, полностью насыщающим пустотное пространство породы и химически инертным по отношению к ней. Абсолют­ная проницаемость характеризует только свойства самой поро­ды и не должна зависеть от физико-химических свойств филь­трующейся жидкости или газа и от условий фильтрации. На практике определяют из закона Дарси, в качестве инертного газа используют азот.

30. Фазовой (эффективной) проницаемостью называют прони­цаемость горной породы для одной фазы при наличии или дви­жении в поровом пространстве породы многофазной системы. Фазовая проницаемость зависит не только от свойств породы, но и от условий фильтрации, в основном от насыщенности порового пространства той или иной фазой и от характера меж­молекулярного взаимодействия на границах раздела между фазами и на поверхности пор. k_пр.а.  k_пр.ф. v=Q/F, т.е. k_пр=QL/(рF), где F - площадь. [k_пр]=[(м³/с)(Пас)м/((Па)(м²))]=[м²]

31. относительная проницаемость. Влияние условий фильтрации на проницаемость горной породы характеризует относительная фазовая проницаемость – это отношение фазовой проницаемости к абсолютной Проницаемость горных пород характеризуется коэффициентом проницаемости, который определяется из формулы линейного закона фильтра­ции Дарси. По этому закону скорость фильтрации жидкости в пористой среде прямо пропорциональна перепаду давления и обратно пропорциональна вязкости: Закон Дарси используется для определении как абсолютной, так и фазовой проницаемости горных пород. Он справедлив в широком диапазоне условий и нарушается лишь при высоких скоростях фильтрации.

31 Относительные фазовые проницаемости пластов, совместное движение несмешивающихся флюидов в пористой среде и области их использования

Р ис. Графики зависимости относительной проницаемости песка для воды и нефти от водонасыщенности.

На рис. приведены экспериментальные зависимости относительной проницаемости песка для воды (k_в) и нефти (k_н) от водонасыщенности пористого пространства. Как видно из рисунка, при водонасыщенности более 20 % фазовая проницаемость породы для нефти резко снижается, хотя и получаем еще безводную нефть в пределах пластовых градиентов давлений. Это объясняется тем, что за счет молекулярно-поверхностных сил вода удерживается в мелких порах и на поверхности зерен песка в виде тонких пленок, тем самым уменьшая площадь сечения фильтрационных каналов. При достижении водонасыщенности 80 % фильтрация нефти прекращается, хотя еще в пласте имеется нефть. Поэтому нельзя допускать преждевременного обводнения скважин, необходимо предупреждать попадание воды в призабойную зону при вскрытии пласта, при проведении ремонтных работ.

33. Относительная фазовая проницаемость при трехфазной фильтрации и ее сопоставление с двухфазной фильтрацией В заштрихованной области могут двигаться все три фазы. Трёхфазное насыщение представляет неблагоприятную обстановку для разработки месторождения. Если в процессе фильтрации выделяется третья фаза, то она мешает первым двум фазам двигаться по поровому пространству, вследствие чего ухудшается фазовая проницаемость. Поэтому не рекомендуется при разработке нефтяных месторождений достигать давлений, при которых из нефти начинает выделяться газ, а при разработке газовых месторождений достигать давлений, при которых из газа начинает выделяться газоконденсат.

н 100%

в 100% г 100%

35. Понятие удельной поверхности, разновидности удельной поверхности, их связь для различных горных пород Удельной поверхностью породы называется величина суммарной поверхности частиц, приходящейся на единицу объема образца. Вследствие небольших размеров отдельных зерен и большой плотности их упаковки общая площадь поверхностей порового пространства горной породы достигает огромных размеров. Подсчитано, что поверхность зерен правильной сферической формы размером 0,2 мм, содержащихся в 1 м3 однородного песка, составляет около 20276 м2.

От величины удельной поверхности нефтеносных пород зависят их проницаемость, содержание остаточной воды, адсорбционная способность и т. д. Если пористая среда имеет большую удельную поверхность, то число поверхностных молекул жидкости возрастает и становится сравнивым с числом объемных молекул. Поэтому поверхностно-молекулярные явления в малопроницаемой породе могут оказать более существенное влияние на процесс фильтрации жидкости, чем в высокопроницаемых породах.

Удельную площадь поверхности фильтрации нефтесодержащих пород с достаточной точностью можно подсчитать по приближенной формуле:

(1.7)

где Sуд – удельная поверхность породы, м2/м3; m – пористость, доли единицы; k – проницаемость, м2.

Удельная поверхность нефтесодержащих пород нефтяных месторождений, имеющих промышленное значение, колеблется в широких пределах – от 40000 до 230000 м2/м3. Породы, имеющие удельную поверхность более 230000 м2/м3, проницаемы или слабопроницаемы. Они представлены глинами, глинистыми песками, глинистыми сланцами и т.п. Чем больше удельная поверхность, тем сильнее твердая фаза влияет на движение жидкости и газа. Сужается диапазон фазовой проницаемости.

38. Перечислите основные фильтрационные и емкостные свойства нефтегазовых пластов, дайте понятие анизотропии нефтегазового пласта

Емкостные свойства – пористость (способность вмещать флюид)

Фильтрационные свойства – проницаемость (способность пропускать жидкость)

Анизотропия –разницы свойств в различных направлениях

40 Понятие напряжений и деформаций в нефтегазовых пластах

Напряжение – сила, приходящаяся на единицу поверхности и направленная против действующей силы: , то есть напряжение есть сила противодействия, отнесённая к единице поверхности.

Если силы действуют только в одном направлении, то возникают линейные деформации. Если силы действую в плоскости, то возникает плоское напряжённое состояния. Если действуют объёмные силы, то возникает объёмное напряжённое состояние.

Деформации могут быть упругими (обратимыми) и неупругими (необратимыми).

Изменение объёма пласта может быть охарактеризовано относительной объёмной деформацией, изменение формы – деформацией сдвига.

41. Первичные и вторичные напряжения, их связь с условиями залегания пластов и технологическими факторами.

Напряжения делятся на первичные (геологические) и вторичные (возникают при разработке скважины). Напряжение возникает на контактах зерен – концентрация напряжений.

Горное давление – это силы, которые действуют на пласт в его естественном залегании. Это силы, которые обусловлены весом вышележащих слоев, тектоническим движением, давлением газов.

42. Понятие нормальных и касательных напряжений, тензор напряжений.

Напряжение – реакция пласта на приложенную нагрузку.

В зависимости от того, как действуют напряжения, оно

Подразделяется на:

x,y,z – нормальное напряжение,

ij – касательное напряжение.

S ij – тензор напряжений.

где σ – главное (нормальное) напряжение, P ik– совокупность девяти напряжений при i=k и касательных при i≠k.

Напряжённое состояние приводит к тому, что пласт подвергается деформации.

Напряжения могут быть охарактеризованы диаграммой Мора.

43. Виды напряженного состояния нефтегазовых платов, тензор напряжений.

Напряжение – реакция пласта на приложенную нагрузку.

Выберем из массива породы эллипсоидный элемент и рассмотрим реакции:

Если напряжения действуют в одном направлении, то мы получим одноосное напряжённое состояние.

Если напряжения действуют в плоскости в разных направлениях, мы получим плоское напряжённое состояние. Если у нас происходит изменение напряжения в объёме, возникает объёмное напряжённое состояние. При реализации эксперимента модель даёт нам одноосное напряжение, тогда как в пласте объёмное напряжённое состояние. В зависимости от того, как действуют напряжения, оно подразделяется на: x,y,z – нормальное напряжение, ij – касательное напряжение. S ij – тензор напряжений. где σ – главное (нормальное) напряжение, P ik– совокупность девяти напряжений при i=k и касательных при i≠k. Напряжённое состояние приводит к тому, что пласт подвергается деформации.

44. Виды деформаций, тензор деформаций. Деформация – изменение формы (объёмов, размеров) под воздействием напряжений. Деформация зависит от вида напряжённого состояния, т.о. можно выделить:

линейные деформации;

сдвиговые деформации;

объёмные деформации.

Суммарная деформация ху, уz, хz – величина, на которую уменьшается прямой угол между соответствующими гранями выбранного нами из массива пласта куба в результате сдвига.

Деформации удлинения и сдвига можно разложить на составляющие по осям координат и написать тензор деформаций: