Глава 1 технологія буріння нафтових і газових свердловин

1.1 Геологічні умови буріння свердловин

Процеси нафтогазовидобування пов'язані з особливостями будови гірських порід, в яких залягають нафта і газ.

Типи осадових порід. Знаходження нафти і газу пов'язано з комплексом осадових порід земної кори. Головні складові порід цього комплексу – пісковики, глини і алевроліти.

П і с к о в и к и являють собою осадову гірську породу зцементованого піску, який складається із зерен кварцу, часто з домішками польового шпату. Розмір частинок піску коливається від 2 до 0,1 мм.

У складі г л и н містяться дрібні частинки кварцу, польового шпату, а також продукти хімічного розкладу магматичних порід (розмір частинок 0,01мм).

А л е в р о л і т и – дрібноуламкові осадові породи з розміром частинок від 0,1 до 0,01 мм, які в результаті зцементованості утворюють щільну гірську породу.

Поряд з названими до осадових відносять також хемогенні породи, які, як правило, представлені одним мінералом, утвореним осадженням з його розсолів. Хемогенними породами є вапняки, доломіти, кам’яна сіль та ін. Нафта і газ в осадовій породі знаходяться в пустотах між зернами пісковика або в тріщинах порід, представлених вапняками.

Основні форми залягання осадових порід. Формування товщі осадових порід відбувалося у водному середовищі за рахунок руйнування порід поверхні суші і знесення їх водними потоками (річками) в морські або океанські водойми. Безпосередньо біля берегової лінії осідали крупнозернистий пісок і галька, в більш глибоководних, віддалених від берега частинах моря, відкладались дрібні мулисті частинки. Оскільки в історії Землі були частими коливання рівня океанічних вод, берегова лінія переміщалась то в бік моря, то в бік суші, внаслідок чого змінювались умови осадконакопичення. Відкладення піску змінювались відкладеннями мулистих частинок, які пізніше утворювали глини і, навпаки, в закритих водоймах, лагунах відбувалось осадження хемогенних порід. Залягання цих порід у процесі формування осадової товщі було горизонтальним. У зв’язку зі зміною осадонакопичення утворювалися шари різного складу. Шар осадової гірської породи, що характеризується приблизно однаковим мінералогічним складом, називають п л а с т о м. Поверхню, яка обмежує пласт зверху, називають п о к р і в л е ю, а поверхню, яка обмежує його знизу – п і д о ш в о ю. Відстань від покрівлі до підошви називають товщиною пласта. У результаті тектонічних рухів земної кори, коли її віддалені ділянки то піднімаються, то опускаються, що нерідко супроводжується розривними порушеннями, пласти виводяться з горизонтального положення, утворюючи складки різних структурних форм.

1. Рисунок 1.1 – Схематичне зображення складчастості

На рис. 1.1 схематично зображено антиклінальну складку. Антикліналлю називається складка шарів гірських порід, звернена випуклістю вверх, синкліналлю – обернена випуклістю вниз. Якщо шари гірських порід залягають з ухилом в один бік, то така складка називається монокліналлю.

У результаті тектонічних рухів можуть бути розривні порушення в будові шарів земної кори, внаслідок чого відбувається зміщення шарів один відносно одного з утворенням різних структур: скидів, викидів, насувів, грабенів, горстів тощо.

Слід звернути увагу, що шари осадових порід, які сформувались на платформених ділянках Землі (п л а т ф о р м а – давня глибинна структура, яка мало підлягала тектонічній і магматичній діяльності), характеризуються моноклінальною або слабковираженою антиклінально-синклінальною складчастістю. Складчастість шарів порід, розміщених у крайніх частинах платформ, має дуже складну форму антиклінальних складок, ускладнених скидами, викидами, насувами тощо.

Характеристика порід, що містять нафту і газ. Гірські породи, які здатні вміщати нафту, газ і воду і віддавати їх у процесі розробки, називаються к о л е к т о р а м и. Більшість порід-колекторів мають осадове походження. Колекторами нафти і газу є піски, піщаники, алевроліти, вапняки, доломіти.

Породам-колекторам властиві дві ознаки – п о р и с - т і с т ь і п р о н и к н і с т ь. П о р и с т і с т ь характеризує об'єм пустот у породі, п р о н и к н і с т ь – здатність породи пропускати через себе нафту, газ і воду під дією перепаду тиску. Не всі пористі породи проникні для нафти і газу, що пов’язано з розміром пор. Так, пори, що мають розмір 0,0002мм (субкапілярні пори), практично непроникні за досяжних перепадів тиску.

Оскільки пористість визначає місткість пласта, в якому знаходяться корисні копалини (нафта і газ), а проникність ^___ здатність пласта їх віддавати, то детальне вивчення цих параметрів на стадії розвідки родовищ нафти і газу надзвичайно актуальне. Для забезпечення накопичення і збереження нафти і газу в пористому, проникному пласті-колекторі необхідно, щоб він був перекритий непроникними породами. Такими породами можуть бути глини і алевроліти.

Якщо порода-колектор містить нафту і газ, то її називають природним резервуаром. Природні резервуари бувають пластовими, масивними і літологічно обмеженими з усіх сторін. На рис.1.2 зображено основні форми природних резервуарів нафти і газу. Нафта і газ у природному резервуарі займають найвище положення. Частина природного резервуара, в якій зосереджені нафта і газ, називається пасткою. У пастці нафта і газ у стані нерозроблюваного родовища знаходяться в спокої.

Рисунок 1.2 – Основні види природних резервуарів нафти і газу:

а – пластовий нафтовий поклад; б – масивний поклад нафти; в – тектонічне екранування покладів нафти; г – нафтогазовий поклад із нафтовою облямівкою на одному крилі; 1 – нафта; 2 – вода; 3 – газ

Поклади, родовища і походження нафти і газу. Поклади нафти і газу – це їх природне накопичення в проникних пористих або тріщинуватих колекторах. Форма і розмір покладу зумовлюються формою і розміром пастки. Газ, нафта і вода розміщаються в покладі нафти відповідно до їх густини (рис. 1.3): газ – у покрівельній частині природного резервуара, нижче – нафта , ще нижче – вода. Поверхні, які відділяють газ від нафти, нафту від води, називаються відповідно г а з о н а ф - т о в и м и і в о д о н а ф т о в и м и к о н т а к т а м и. Лінії перетину контактів з покрівлею і підошвою пласта називаються зовнішнім і внутрішнім контурами нафтоносності (газоносності).

Накопичення газу в підвищеній частині нафтового покладу називається г а з о в о ю ш а п к о ю. Поклади нафти в масивних резервуарах не мають внутрішнього водонафтового контура. Розміри покладу нафти визначаються довжиною, шириною, які вимірюються по зовнішньому контуру нафтоносності, і висотою, яка є відстанню від поверхні водонафтового контакту до найвищої точки нафтонасиченої частини пласта.

Рисунок 1.3 – Схема покладів і контурів нафти і газу:

1 – внутрішній контур газоносності; 2 – зовнішній контур газоносності;

3 – внутрішній контур нафтоносності; 4 – зовнішній контур нафтоносності

Сукупність покладів нафти і газу, що відносяться до однієї або декількох пасток у надрах земної кори однієї і тієї ж обмеженої географічної площі, називається родовищем нафти і газу. Родовищем може вважатись і єдиний поклад, якщо існує економічна доцільність вести його промислову розробку.

Існують різні гіпотези про походження нафти і газу, за деякими із яких припускається неорганічне, за іншими – органічне походження цих корисних копалин.

Найбільш аргументовану гіпотезу неорганічного походження нафти (газу) висунув Д.І.Менделєєв, згідно з якою утворення вуглеводнів нафти (газу) подається за такою схемою. Тріщини в надрах Землі можуть бути каналами, якими поверхневі води проникають вглиб Землі. За умов високих температур і тисків у глибинних надрах Землі можуть відбуватися реакції взаємодії води з карбідами металів, у результаті чого утворюються вуглеводні і окиси металів. Характер реакції можна зобразити формулою:

FeC₂+2H₂O®HCºFe (OH )₂.

За високих температур відбувається полімеризація ацетилену (НС º СН) з утворенням бензолу і суміші вуглеводнів складного складу, а також реакція

Al₄C₃+12H₂O º3CH₄+4Al(OH )₃

Хоч зазначені реакції і вдається змоделювати в лабораторіях, доказів того, що вони відбуваються в природі в широкому масштабі, немає.

Добре аргументованою теорією походження нафти і газу є органічна, згідно з якою в процесі формування осадової товщі порід відбувається захоронення органічних залишків тварин і рослин, які розкладаючись у надрах Землі без доступу кисню під дією високих температур і тисків, утворили вуглеводні. Вуглеводні в різних рекомбінаціях, які протікають у породах різного мінералогічного складу, дають нафту і газ з різними фізико-хімічними властивостями. Отримана таким чином нафта не залишається на місці свого утворення. У зв'язку з тим, що басейн, в якому відбувається накопичення осадів, заглиблюється під дією тиску, який постійно зростає, нафта з порід, багатих органічним матеріалом (нафтоматеринські породи), витискується в пористі проникні породи. Потрапивши в проникний пласт, нафта (газ) під дією сил гравітації спливають у підвищені частини структур, утворюючи родовища. Рух крапельної нафти (газу) в пластах під дією гравітаційних сил називають м і г р а ц і є ю. Найповніше обгрунтування органічного походження нафти (газу) і ролі міграції в процесі формування родовищ нафти або газу дав академік І.М.Губкін.

Своє підтвердження органічна теорія походження нафти має в тому, що абсолютна більшість родовищ нафти і газу знаходиться в осадових породах. Мало того, навіть в тій невеликій кількості випадків, коли нафту виявили у вулканічних породах, аналіз її на наявність залишків пилку рослин свідчить на користь органічного походження вуглеводнів. Безпосередньо у вулканічні породи вона могла потрапити в результаті міграції або була захоплена магмою під час виливі її через тріщини в осадовому чохлі порід земної кори.

Пошуково-розвідувальні роботи на нафту і газ. Розрізняють такі методи пошуково-розвідувальних робіт на нафту і газ: геологічні, геохімічні, геофізичні, бурові.

До г е о л о г і ч н и х методів належать геологічна та структурно-геологічна зйомки, геоморфологічні дослідження та ін.

Під час проведення геологічної і структурно-геологічної зйомок ставиться завдання вивчення особливостей будови верхьої частини земної кори з побудовою за поверхневими вимірюваннями або за допомогою буріння неглибоких свердловин структурних карт, які показують характер залягання порід по виділеному пласту.

Крім того, вивчається склад порід на досліджуваній території, складається стратиграфічна характеристика розрізу, яка показує хронологічну послідовність залягання порід.

У процесі морфологічних досліджень виконуються роботи з вивчення земної поверхні з детальним описом порід і побудовою геологічної карти поверхні, на якій відображається рельєф поверхні і різними кольорами показано тип порід, які складають поверхню.

Г е о х і м і ч н і методи пошуку корисних копалин мають на меті вивчення органічної речовини з пов’язуванням до неї літолого-стратиграфічного комплексу порід, крім того, вивчаються фізико-хімічні характеристики і склад пластових вод і газів. До геохімічних методів належать газова, газобіохімічна і бітумно-люмінесцентна зйомки, за допомогою яких вивчаються явища розсіювання вуглеводнів за рахунок їх дифузії з глибинних скупчень нафти і газу. За кількісними оцінками присутності вуглеводнів у пробах будуються геохімічні карти, які використовуються для визначення можливих контурів родовища нафти і газу.

Упродовж останніх десятиліть найбільш поширеними в розвідці покладів нафти і газу стали г е о ф і з и ч н і методи, а саме гравіметрична, магнітна, електрична та сейсмічна розвідки. Причому, якщо для розвідки твердих корисних копалин, особливо металовмісних руд, використовуються головним чином гравіметрична, магнітна і електрична розвідки, то для розвідки на нафту і газ – сейсмічна й електрична.

Сейсмічна розвідка ґрунтується на вивченні процесів розповсюдження штучно збуджених пружних хвиль у земній корі. Джерело і приймачі сейсмічних коливань розміщуються на земній поверхні. Сейсмічні хвилі спрямовуються в глибину Землі, заломлюються і відбиваються поверхнями розділу порід різної густини та повертаються до земної поверхні, де реєструються приймачами. Швидкість розповсюдження сейсмічних хвиль у різних породах неоднакова. За швидкістю розповсюдження пружних хвиль від місця джерела збудження до пункту їх спостереження (реєстрації) роблять висновки про характер і глибину залягання гірських порід та геологічну будову даної місцевості. Найперше завдання сейсмічних методів розвідки – виявлення структур, які можуть бути пастками для нафти і газу.

Електророзвідка використовується для інтерпретації розрізу в пробурених свердловинах. Вона базується на вивченні штучних і природних електромагнітних полів, які виникають під дією постійного або змінного струму. У зв’язку з тим, що осадові гірські породи мають різний електричний опір, який залежить від мінералогічного складу порід, то, пропускаючи через породи електричний струм і вимірюючи електричний опір порід, можна встановити послідовність і умови їх залягання. Крім того, в результаті руху в пористих пластах рідин різної мінералізації в них можуть виникати природні електричні потенціали. Фіксацією природних потенціалів у свердловині можна виділити в розкритому свердловиною розрізі гірських порід пласти, здатні пропускати через себе рідини або газ, тобто пласти, яким властива проникність.

Електрична розвідка, застосовувана для досліджень у свердловинах, називається електричним каротажем. Електричний каротаж у свердловинах виконується шляхом застосування спеціальної техніки, в якій вимірювальна (реєструюча) апаратура знаходиться на поверхні в спеціальній автомашині, а свердловинний прилад (зонд) опускається на трижильному електричному кабелі. Опущений прилад має три контактні клеми, між якими вимірюють електричний опір і різницю потенціалів, зумовлену фільтрацією рідини.

Оскільки під час виконання вимірювань стовбур свердловини заповнений глинистим розчином, який також має певний електричний опір, прилад фіксує не істинні електричні опори гірських порід, а так звані позірні питомі опори. Одночасно з вимірюванням опору гірських порід вимірюють потенціал самочинної поляризації , що виникає у свердловині і навколо неї.

Питомий опір гірських порід різний. Щільні породи (ангідриди і вапняки) мають високий опір, глини з великою пористістю – низький, а найменший опір – піски, насичені мінералізованою водою. Піски ж, які містять нафту або газ, мають високий опір.

Пористі, добре проникні породи, які можуть містити нафту або газ, виділяються за каротажною діаграмою за відхиленням кривої . Якщо мінералізація пластових вод вище мінералізації глинистого розчину, що знаходиться у свердловині, то проникні пласти визначаються за мінімумами кривої . Якщо мінералізація пластової води менше мінералізації глинистого розчину, то навпроти проникних пластів позначається максимум кривої потенціалу власної поляризації порід.

Знята у свердловині каротажна крива (рис. 1.4 ) показує, що розкритий свердловиною пласт характеризується високим питомим опором і мінімальною значиною . Результати вимірювань дають змогу припустити, що свердловиною розкрито нафтонасичений пласт.

Д

Рисунок 1.4 – Електрокаротажна діаграма свердловини:

– діаграма позірного

електричного опору порід – діаграма спонтаної поляризаціі; 1 – вапняки; 2 – глини; 3 – піски; 4 – піщаники

о методів електричної розвідки відносять і інші види каротажу – гамма-каротаж, нейтронний гамма-каротаж, акустичний каротаж, які, базуючись на інших фізичних явищах, дають змогу вирішувати загальне завдання визначення нафтогазопродуктивних пластів з оцінкою фізичних властивостей пластів і насичуючих їх рідин.

Слід відзначити, що найвищий ефект у розвідці родовищ отримують у процесі комплексного застосування різних методів. Остаточну відповідь про наявність нафти чи газу на розвідувальній площі можна отримати тільки за результатами буріння і випробування свердловин.