7.3 Давление прорыва

Важнейшей характеристикой пород покрышек является давление прорыва Р. Это перепад между давлениями выше и ниже покрышки, при котором начинается фильтрация через нее. Зависит давление прорыва от диаметра пор и внутрипорового давления в покрышке.

Давление прорыва для покрышек группы Е составляет менее 0,5 МПа, для группы D - до 3 МПа, С – до 5,5 МПа, В – до 8 МПа, А – более 12 МПа.

Перепад давления, при котором фильтрация прекращается, называется давлением пережима.

Давление прорыва зависит от свойств глин, а также – от свойств флюидов. Для характеристики герметичности покрышки используется градиент абсолютных избыточных давлений Г^а_изб – отношение Р к толщине покрышки залежи Н_покр. Обычно считается, что слой глины толщиной 5 м достаточен для удержания залежи.

Высота залежи Н, удерживаемой покрышкой, оценивается по формуле:

Н=Р/(d_в – d_нг),

где d_в – плотность воды, d_нг – плотность нефти или газа.

Вопросы для самоконтроля

7.1 Как классифицируют породы-флюидоупоры?

7.2 Что такое давление прорыва, пережима?

8 Коллекторы нефти и газа на больших глубинах

В этой главе характеризуются возможные изменения горных пород при увеличении глубины их залегания.

8.1 Изменение плотности пород с глубиной в зависимости от их литологического состава

Гипергенно-осадочная пористость в только что возникшем осадке (по И.А, Конюхову), как правило, изменяется в процессе погружения осадка. Нас будет интересовать катагенетическая стадия этого процесса. Пористость обычно прогрессивно убывает (рисунок 6.1). Лишь некоторые процессы способствуют сохранению либо увеличению пористости.

Наиболее существенными являются уплотнение, цементация, растворение и разложение минералов, аутигенное минералообразование, в том числе в составе глинистой примеси, перекристаллизация, регенерация, катаклаз и бластез. Все процессы взаимосвязаны. Так, уплотнение вначале достигается за счет более тесной упаковки. При этом происходит частичное дробление зерен и заполнение пор продуктами дробления. Далее скелет породы испытывает упругие сжатия до предела разрушения. На контактах зерен, где давление особенно велико, происходит частичное растворение вещества. Цементация на этой стадии прежде всего связана с поступлением в поры вод, отжимаемых из глинистых пород. Разные глины в разной степени отдают воду. Важно соотношение глин и пористых пород в разрезе.

В мощных песчаных пачках при малом количестве глин остается свободное поровое пространство. А маломощные прослои песчаников в глинистых толщах полностью зацементированы до степени сливных.

При понижении давления или температуры из пластовых вод возможно выпадение солей, в первую очередь – карбонатов. Карбонаты часто замещают глинистые минералы и даже кварцевые зерна. Есть основание выделять подзоны карбонатизации, окварцевания.

Растворение и внутрислойное разложение фемических минералов, плагиоклазов и др. приводят к появлению кальцита, хлорита, ломонтита, альбита, цеолитов, эпидота.

Рисунок 6.1 – Зависимость плотности разных типов осадочных пород от глубины их залегания

Изменение глинистых минералов

А.Г. Коссовский выделяет зону неизмененного глинистого цемента, зону измененного глинистого цемента и зону хлоритово-серицитового цемента. При уплотнении изменяется тип цементации. Вещество в составе цемента изменяется быстрее, чем в сплошных глинистых толщах.

Монтмориллонит ниже глубины 1,5 км замещается смешанными глинами (к глубине 1,7 км – полностью), к глубине 3-3,3 км исчезает и каолинит. Смешано-слойные устанавливаются на глубинах до 3,2 км. Гидрослюды и хлорит встречаются и на больших глубинах (7-8 км), где хлорит, в основном, новообразованный.

При погружении происходит перекристаллизация цемента, особенно если он имеет химическое или биохимическое происхождение. Битумы, находящиеся в порах, препятствуют перекристаллизации цемента и изменению глинистого вещества. Нефть консервирует поровое пространство коллектора, в то время как за- и приконтурное пространства становятся непроницаемыми. При перестройке структурных планов возникают в этом случае висячие залежи на крыле складки и др.

Хорошо отсортированные песчаные породы в меньшей степени изменяют пористость с возрастом и глубиной. Снижение пористости за счет сжимаемости наиболее значительно в глинистых алевролитах, менее всего оно заметно в породах в кремнистым цементом. Влияние оказывают количество и распределение цемента.

В песчаниках степень уплотнения наибольшая в граувакках, наименьшая – в кварцевых песчаниках.

Давление вышележащих пород по-разному действует на глинистые и зернистые, сцементированные и несцементированные породы.

Глинистые породы, насыщенные водой, воспринимают нагрузку на твердые частицы – скелет и заключенную в порах воду. Под воздействием нагрузки вода медленно вытесняется из пор, и частицы сближаются. Постепенно давление на твердые частицы увеличивается, и при полном отжиме воды полностью воспринимается ими. Этот процесс начинается еще во время диагенеза, правда, в зачаточном виде.

После отжима гравитационной воды в породе сохраняется пленочная и гигроскопическая вода, прочно удерживаемая поверхностью частиц. Удаление этой воды происходит при значительно большем давлении.

Эксперименты по вытеснению воды из глин показывают, что свободная вода вытесняется при давлении 40-80 МПа, что соответствует глубине погружения до 400-600 м, пленочная – при давлении 3000-5000 МПа (глубина более 10000 м).

Пористость глинистых породу поверхности может достигать 0,5-0,6 долей ед., на глубине 4000 м она не превышает 0,05 долей ед. (Вассоевич, 1962).

В зернистых породах давление с самого начала воспринимается твердыми частицами – скелетом. Пористость изменяется за счет смещения частиц, их деформации (уплотнения), при больших нагрузках – за счет дробления. Глинистые и слюдистые частицы, деформируясь, обтекают жесткие зерна, заполняя пустоты и вытесняя из них воду.

Увеличение давления с 200 МПа (на глубине 1000 м) до 3000 МПа (на глубине 10000 м) на грубозернистый песок привело к уменьшению содержания самой грубой фракции (2-1 мм) с 90 % до 30 %. Соответственно, произошли изменения и в других фракциях. Пористость уменьшилась с 0,48-0,36 долей ед. до 0,28-0,21 долей ед.

Давление способствует растворению зерен и переотложению растворенного вещества. Так появляются конформные контакты механического (инкорпорация) и химического (микростилолитовые швы) происхождения, а заодно – обрастание зерен (регенерационные каемки) и заполнение пор.