1362

3

4

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Физика пласта – это прикладная наука, которая изучает физические свойства пластов, их изменения под действием природных процессов, а также физику процессов, протекающих в пластах, с целью оценки запасов углеводородов (УВ) и их эффективного извлечения. Пласт – это сложная система, которая может периодически менять свои свойства. Любой процесс разработки – это процесс разрушения природной системы.

Основные цели и задачи дисциплины «Физика нефтяного пласта»:

–изучение фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта;

–установление физических параметров, необходимых для оценки извлечения нефти и газа.

Нефтяной пласт – это сложная динамическая система, содержащая коллектор, насыщенный нефтью и покрышку, и характеризующаяся сильной неоднородностью свойств.

Пласт – это гетерогенная многофазная многокомпонентная термодинамическая система. Термодинамическая система – это совокупность материальных тел и полей, способных взаимодействовать друг с другом. Энергия частиц характеризует энергию системы. Полная энергия складывается из внутренней

ивнешней. Пример внутренней энергии – растворенный газ.

Три типа взаимодействия пласта:

1)механическое – давление вышележащей толщи;

2)тепловое;

3)масса обмена – компенсация обмена закачкой.

Термодинамическая система может обмениваться веществом и энергией с другими системами.

Системы бывают:

–открытые и закрытые;

–гетерогенная – состоит из отдельных систем, разграниченных поверхностями раздела, причем при переходе через поверхность системы хотя бы одно из свойств изменяется скачкообразно;

–гомогенная – однородная система, в которой свойства либо меняются плавно, либо не меняются вовсе.

Компоненты термодинамической системы – это индивидуальные вещества, состоящие из отдельных молекул, и наименьшее число этих молекул необходимо и достаточно для образования всех фаз этой системы. Компоненты пластовых смесей – это индивидуальные углеводороды.

Нефть может перемещаться как по заключающим ее пористым породам, так и по тектоническим трещинам, секущим содержащие нефть породы. Некоторые геологи полагают, что нефть мигрирует на малые расстояния, другие до-

5

пускают миграцию ее на большие расстояния, измеряемые десятками и сотнями километров. Различны мнения также и по вопросу о том, в каком состоянии мигрирует нефть – в виде жидкости или в виде газа. Советским ученым М.А. Капелюшниковым экспериментально показано, что при наличии газа и достаточного давления нефть можно перевести в газовую фазу и получить из пористой среды даже пленочную и капиллярную нефть, которую обычными способами извлекать не удается. Эти исследования подтверждают вероятность миграции нефти также и в газовом состоянии и выделение ее при пониженном давлении в пласте в виде жидкости.

Заключающие нефть породы обладают сравнительно высокой пористостью и достаточной для ее извлечения проницаемостью. Породы, допускающие свободное перемещение и накопление в них жидкостей и газов, называются коллекторами. Пористость коллекторов зависит от степени отсортированности зерен, их формы и укладки, а также от наличия цемента. Проницаемость определяется размером пор и их сообщаемостью. Главнейшими коллекторами нефти являются пески, песчаники, известняки, доломиты и другие хорошо проницаемые горные породы, заключенные среди таких слабопро-

ницаемых пород, как глины или гипсы. При благоприятных условиях коллекторы могут быть трещиноватыми метаморфическими и изверженными породами, находящимися в соседстве с осадочными нефтеносными породами.

Часто нефтяная залежь занимает лишь часть коллектора, и поэтому в зависимости от характера пористости и степени цементации породы (гетерогенности залежи) обнаруживается различная степень насыщенности нефтью отдельных ее участков в пределах самой залежи. Иногда этой причиной обусловливается наличие непродуктивных участков залежи. Обычно нефть в залежи сопровождается водой, которая ограничивает залежь вниз по падению слоев либо по всей ее подошве. Кроме того, в каждой залежи нефти вместе с ней находится так называемая пленочная, или остаточная вода, обволакивающая частицы пород (песков) и стенки пор. В случае выклинивания пород коллектора или обрезания его сбросами, надвигами и тому подобными дизъюнктивными нарушениями залежь может либо целиком, либо частично ограничиваться слабопроницаемыми породами. В верхних частях нефтяной залежи иногда сосредоточивается газ («газовая шапка»).

Класс природного резервуара устанавливается по литологическому составу слагающих его коллекторов и перекрывающего флюидоупора:

–терригенный;

–терригенно-карбонатный;

–карбонатно-терригенный;

–карбонатно-эвапоритовый;

–пелитоидный;

–вулканогенный;

6

–вулканогенно-осадочный;

–осадочно-вулканогенный.

При определении класса в первой части указывается литологический состав пласта-коллектора, во второй – покрышки. Так, понятие «терригеннокарбонатный» означает, что резервуар сложен терригенными коллекторами и карбонатной покрышкой; «терригенный» – пласт-коллектор и покрышка представлены терригенными породами.

Справочные материалы представлены в прил. 1, 2.

7

ЛЕКЦИЯ 1

ВЕЩЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГОРНЫХ ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ НЕФТИ И ГАЗА

Тема 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ

Пласты состоят из различных твердых частиц. Чтобы охарактеризовать свойства пласта, нужно знать его гранулометрический состав. Степень неоднородности пласта по размерам напрямую связана с составом.

По происхождению горные породы (далее Г.п.) делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы составляют около 90 % объема земной коры, однако на поверхности современных материков области их распространения сравнительно невелики. Остальные 10 % приходятся на долю осадочных пород, занимающих 75 % площади земной поверхности.

По глубине формирования магматические породы (на рис. 1.1 по светлым полосам можно определить направление потоков лавы) делятся на три группы: породы, кристаллизующиеся на глубине, – интрузивные горные породы, например гранит. Они образуются при медленном остывании магмы и обычно хорошо раскристаллизованны; гипабиссальные горные породы образуются при застывании магмы на небольших глубинах и часто имеют неравномерно зернистые структуры (долерит). Эффузивные горные породы формируются на земной поверхности или на дне океана (базальт, риолит, андезит).

Рис. 1.1. Магматические породы

8

Подавляющее большинство природных магм содержат в качестве основного компонента кремний и представляют собой силикатные расплавы. Много реже встречаются карбонатные и сульфидные и металлические расплавы. Из карбонатных расплавов образуются карбонатные магматические горные породы – карбонатиты. В XX веке зафиксировано несколько извержений вулканов с карбонатитовыми магмами (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Осадочные породы

Важнейшей характеристикой магматической породы является состав. Существует несколько классификаций магматических горных пород по составу (номенклатура горных пород). Наибольшее значение имеет классификация по содержанию в породах кремнезема SiO2 и щелочей (NaОН + KОН). По содержанию щелочей породы делятся на серии. Выделяются породы нормальной, субщелочной и щелочной серий. Формальным признаком такого деления служит появление в породе специфических щелочных минералов. По содержанию SiO2 породы разделены на ультраосновные – SiO2 в породе меньше 45 %, основные – если содержание SiO2 находится в диапазоне от 45 до 54 %, средние – от 54 до 65 % и кислые – содержание SiO2 больше 65 %.

Тема 2. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи нее в условиях относительно низких температур и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три основные генетические группы: обломочные породы (брекчии, конгломераты, пески, алевриты) – грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обыч-

9

но наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних; глинистые породы – дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды; хемогенные, биохемогенные и органогенные породы – продукты непосредственного осаждения из растворов (например, соли) при участии организмов (например, кремнистые породы), продукты накопления органических веществ (например, угли) или продукты жизнедеятельности организмов (например, органогенные известняки). Характерной особенностью осадочных Г.п., связанной с условиями образования, является их слоистость и залегание в виде более или менее правильных геологических тел (пластов).

Тема 3. МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород (на рис. 1.3 метаморфическая горная порода, расслоившаяся по двум перпендикулярным направлениям). Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы; воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактовый метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на нее действуют факторы регионального метаморфизма – высокие температуры и давление.

Рис. 1.3. Метаморфическая горная порода

10