Лабораторная работа №1 (4 ч.)

На тему: «Типы пород-коллекторов нефти и газа. Гранулометрический анализ пород»

по дисциплине СППФ

Цель работы: Заключается в ознакомлении основными показателями, характеризующими фильтрационные и коллекторные свойства пород – коллекторов и изучении методики определения гранулометрического (механического) состава пород.

Общие понятия

Процессы разработки и эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений тесно связаны с закономер­ностями фильтрации углеводородов и пластовой 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.

Горные породы, способные вмещать нефть, газ, воду и отдавать их при разработке, называются – коллекторами. Большинство пород коллекторов имеет осадочное происхождение. Нефть и газ содержится в терригенных коллекторах, таких как пески, песчаники, алевролиты, и в карбонатных коллекторах – известняки, доломиты, мел.

Подавляющая часть нефтяных и газовых месторождений приурочена к коллекторам трех типов — гранулярным, трещин­ным и смешанного строения. К первому типу относятся коллек­торы, сложенные песчано-алевритовыми породами, поровое про­странство которых состоит из межзерновых полостей. Подобным строением норового пространства характеризуются также неко­торые пласты известняков и доломитов. В чисто трещиноватых коллекторах (обычно сложенных преимущественно карбонат­ными отложениями, сланцами) поровое пространство слагается системой трещин.

Поровое пространство в горной

породе:

1-минеральные зерна;

2-поровое пространство породы,

заполненное жидкостью или газом.

При этом участки коллектора, залегающие между трещинами, представляют собой плотные малопроницае­мые нетрещиноватые массивы (блоки) пород, поровое простран­ство которых практически не участвует в процессах фильтра­ции. На практике, однако, чаще встречаются трещиноватые коллекторы смешанного типа, поровое пространство которых сла­гается как системами трещин, так и поровым пространством блоков, а также кавернами и карстами. Трещиноватые коллекторы смешанного типа в зависимости от наличия в них пустот различного вида подразделяются на подклассы — трещиновато-пористые, трещиновато-каверновые, трещиновато-карстовые и т. д.

Анализ показывает, что около 60 % запасов нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 39 % — к кар­бонатным отложениям и I % — к выветренным метаморфиче­ским и изверженным породам. Следовательно, породы осадоч­ного происхождения — основные коллекторы нефти и газа. В связи с разнообразием условий формирования осадков коллекторские свойства пластов различных месторождений мо­гут изменяться в широких пределах.

Фильтрационные и коллекторские свойства пород нефтяного и газового пласта характеризуются основными показателями:

1. гранулометрическим (механическим) составом пород;

2. пористостью; проницаемостью;

3. капиллярными свойствами; удельной поверхностью;

4. механическими свойствами (упругостью, пластичностью сопротивлением разрыву, сжатию и другим видам деформаций);

5. насыщенностью пород водой, нефтью и газом.

Упомянутые свойства пород находятся в тесной зависимости от химического состава, структурных и текстурных их особенно­стей.

Структура породы определяется преимущественно раз­мером и формой зерен. По размерам различают структуры: псефитовую (порода состоит из обломков более 2 мм), псамми­товую (0,1—2 мм), алевритовую (0,01—0,1 мм), перлитовую (0,01 мм и менее).

К текстурным особенностям породы относят слоистость, характер размещения и расположения пород, взаи­морасположение и количественное соотношение цемента и зе­рен породы и некоторые другие черты строения. Роль цемента часто выполняют глинистые вещества. Встречаются также це­менты хемогенного происхождения (карбонаты, окислы и гидро­окислы, сульфаты).

Известняк – осадочная порода, которая часто встречается среди древних пород. Это связано с тем, что раковины многих морских животных и растения выделяют известь-CaCO_3. Известняк очень хорошо растворим в пресной воде, особенно в условиях теплого и влажного климата. Это связано с тем, что дождевая и почвенная вода адсорбирует из воздуха диоксид углерода с образованием угольной кислоты, которая и растворяет известняк.

Значительно растворенный известняк называется закарстованным и обладает превосходной пористостью и проницаемостью. Мел (СаСО₃)- это известняк, состоящий из очень мелких частиц- оболочек микроископаемых. В тропических морях в воде живут одноклеточные животные, так называемые фораминиферы, а также растения - кокколитофоры. Когда они умирают, их оболочки(состоящие и у тех и у других из карбоната кальция) опускаются на океанское дно. Если они не растворяются в воде или в других отложениях, то образуют мел.

Доломит (Са Мg(CO₃)₂) представляют собой осадочную породу, образованную из существовавшего ранее известняка. Богатые магнием воды просачивались сквозь толщу известняка (СаСо₃), замещая атомы кальция на магний (Mg) и образуя доломит. В полевых условиях доломит довольно сложно отличить от известняка. Они обладают сходной кристаллической структурой, цветом и твердостью. Однако известняк вскипает в холодной разбавленной кислоте, а доломит - только в горячей и концентрированной. Ромбические кристаллы, не выделяющие пузырьки газа в холодной разбавленной кислоте - лучшее указание на доломит, возможное в полевых условиях. В лабораторных условиях эти породы различать гораздо легче. Обычно доломит является хорошей породой коллектором. В процессе погребения и уплотнения известняки теряют пористость. Напротив, доломиты тверже и не столь растворимы, как известняки, поэтому они сохраняют пористость. Кристаллы доломита обычно крупнее, чем замещаемые ими частицы известняка, что повышает проницаемость породы.

Гранулометрический анализ проводится для определения степени дисперсности минеральных частиц, слагающих породу. Дисперсность частиц сцементированных пород изучается по их шлифам под микроскопом.

Несцементированные пески и слабо сцементированные песчаники подвергают гранулометрическому анализу, разделяя частицы на фракции. Гранулометрическим (механическим) составом породы на­зывают количественное (массовое) содержание в породе ча­стиц различной крупности. От степени дисперсности минералов зависят многие свойства пористой среды: проницаемость, пори­стость, удельная поверхность, капиллярные свойства и т. д. По механическому составу можно судить о геологических и палеогеографических условиях отложения пород залежи. По­этому начальным этапом исследований при изучении генезиса осадочных пород может быть их гранулометрический ана­лиз. Так как размеры частиц песков обусловливают общую их поверхность, контактирующую с нефтью, от гранулометриче­ского состава пород зависит количество нефти, остающейся в пласте после окончания его разработки в виде пленок, покры­вающих поверхность зерен, и в виде капиллярно удержанной нефти.

Гранулометрический анализ песков используется в нефте­промысловой практике. Например, на основе механического ана­лиза в процессе эксплуатации нефтяных месторождений для предотвращения поступления песка в скважину подбирают фильтры, устанавливаемые на забое. Размер частиц горных пород изменяется от коллоидных ча­стичек до галечника и валунов. Однако размеры их для боль­шинства нефтесодержащих пород колеблются в пределах 1 — 0,01 мм.

Наряду с обычными зернистыми минералами в природе ши­роко распространены глинистые и коллоидно-дисперсные мине­ралы с размерами частиц меньше 0,1 мкм (0,001 мм). Значи­тельное количество их содержится в глинах, лессах и других породах. В составе нефтесодержащих пород коллоидно-дисперсные минералы имеют подчиненное значение. Вместе с тем вследст­вие значительной по размерам их общей поверхности состав этих минералов влияет на процессы поглощения катионов (и анионов). От их количества в основном зависит степень набухаемости горных пород в воде.

Механический состав пород определяют ситовым и седиментационным анализами. Ситовый анализ сыпучих горных пород применяется для разделения песка на фракции от 0,05 мм и более. Содержание частиц меньшей крупности определяется методами седиментации. В лабораторных условиях обычно поль­зуются набором штампованных проволочных или шелковых сит. Штампованные сита имеют отверстия 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5 и 0,25 мм. Существуют различные системы сит и всевозможных механических приспособлений для разделе­ния породы на фракции. В наборе вверху располагают сито с наиболее крупными размерами отверстий. В это сито насы­пают 50 г породы, которую просеивают в течение 15 мин. За­тем оставшиеся на каждом сите частички породы взвешивают и результаты записывают в таблицу.

Седиментационное разделение частиц по фракциям происхо­дит вследствие различия скоростей оседания зерен неодинако­вого размера в вязкой жидкости. Существуют различные мнения о пределах и условиях при­менимости закона Стокса.

(1.1)

где g — ускорение свободного падения; d — диаметр частиц; v — кинематическая вязкость; -плотность жидкости; -плотность частицы породы.

Считается, что формула (1.1) спра­ведлива для частиц диаметрами 0,1—0,001 мм. При меньшем размере на скорость осаждения частиц влияют броуновское движение и слои адсорбированной воды. Формула Стокса справедлива при свободном (нестесненном) движении зерен; чтобы концентрация частиц не влияла на ско­рость их осаждения в дисперсной среде, массовое содержание твердой фазы не должно превышать 1 %.

Существует много методов седиментационного анализа. В ла­бораториях по исследованию грунтов широко применяют спо­собы отмачивания током воды и путем слива жидкости (метод Сабанина), а также метод взвешивания осадка при помощи весов Фигуровского. При отмачивании током воды грунт помещают в конический или цилиндрический сосуд, через который воду направляют снизу вверх. Регулированием скорости движения воды добива­ются выноса из пределов сосуда частиц определенного диаметра значение, которого можно определть по формуле Стокса.

При сливе жидкости происходит отделение медленно оседа­ющих мелких частиц от быстро- оседающих (более крупных и тяжелых) при сливе жидкости, содержащей еще не осевшие ча­стицы на дно сосуда. Наиболее совершенный метод седиментационного анализа - взвешивание осадка. Осадок в процессе седиментации взвеши­вается с помощью весов Фигуровского (рис.) или автома­тических седиментационных весов (например, модели ВСД-1/50 мкм). В приборе Фигуровского в качестве элемента, восприни­мающего нагрузку, используется стеклянный кварцевый стер­жень (коромысло). В приборе ВСД-1/50 *, предназначенном для гранулометрического анализа дисперсных частиц крупно­стью от 1 до 50 мкм, осадок взвешивается с помощью электри­ческих весов с автоматической регистрацией и записью массы выпадающего осадка во времени. Наибольший предел реги­стрируемой массы осадка составляет 500 мг. Хорошо переме­шанную суспензию вливают в цилиндрический сосуд 3, в который опускают тонкий стеклянный диск 4, подвешенный па плечо весов Фигуровского.

Выпадающие частицы суспензии отлага­ются на стеклянном диске. По мере отложения осадка равно­весие весов нарушается и для восстановления его требуется дополнительная нагрузка. Регистрируя время и нагрузки, по­лучают данные, которые затем обрабатывают. Результаты ана­лиза механического состава пород изображаются в виде таблиц или графиков суммарного состава и распределения зерен по­роды по размерам (рис. 1.2 и 1.3), а также в виде гистограмм (рис. 1.3 - ступенчатый график 2) и циклограмм. Для построе­ния первого графика по оси ординат откладывают массовые доли фракции в процентах, а по оси абсцисс — диаметр частиц d или Igd.

При построении второго графика по оси абсцисс отклады­вают диаметры d частиц, а по оси ординат — изменения массы зерен, приходящиеся на единицу изменения их диаметра. На циклограмме, площадь круга которой принимается за 100%, величина секторов пропорциональна содержанию фрак­ций.

Степень неоднородности песка характеризуется отношением d₆₀/d₁₀, где d₆₀ — диаметр частиц, при котором сумма масс Фракций с диаметрами, начиная от нуля и кончая данным диа­метром, составляет 60 % от массы фракций (точка 2 на рис. 1-2), a d₁₀ — аналогичная величина для точки кривой суммар­ного гранулометрического состава (точка 3. на рис. 1.2). По диаметру, соответствующему точке 1, подбирают размеры от­верстий забойных фильтров для нефтяных скважин'.

Коэффициент неоднородности зерен пород, слагающих неф­тяные месторождения, обычно колеблется в пределах 1,1—20.