ФИЗИКА ПЛАСТА СФУ ИНи Г каф Ри ЭНи

ФИЗИКА ПЛАСТА СФУ, ИНи. Г, каф. Ри. ЭНи. ГМ Профессор Квеско Брониславович

Впервые курс физики нефтяного пласта был прочи-тан М. Кусаковым для студентов Московского нефтяного института в 1948 г. Базой для формирования данного курса и дальней-шего развития стали результаты исследований многих отечественных и зарубежных ученых: Л. Г. Гурвича, П. А. Ребиндера, Б. В. Дерягина, М. М. Кусакова, Г. А. Бабаляна, Ф. И. Котяхова, А. А. Ханина, А. С. Великовского, Ш. К. Гиматудинова , А. И. Ширковского, Д. Амикса, Д. Басса, Р. Уайтинга, Э. Д. Берчика и других. 2

Физика пласта — наука, изучающая Ø физические свойства пород коллекторов нефти и газа - Øсвойства насыщающих их флюидов (нефти, газа и воды) Øпроцессы, связанные с взаимодействием флюидов между собой и с породой - коллектором 3

Основные понятия курса «Физика нефте-газового пласта» базируются на изучении таких предметов, как: Øфизика, Øхимия, включая физическую и коллоидная химию, Øгеология нефти и газа, Øмеханика горных пород, Øгидромеханика Øмеханика сплошной среды. 4

Курс «Физика нефтегазового пласта» закладывает основы, понимания процессов, происходящих в нефтяных и газовых пластах : Øпри бурении и разработки нефтегазовых месторождений; Ø при осуществлении методов повышения нефтеотдачи залежей; Ø при осуществлении методов интенсификации притока к скважинам 5

Оглавление физики пласта : 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД – КОЛЛЕКТОРОВ НЕФТИ И ГАЗА 2. СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТОВЫХ НЕФТЕЙ 3. ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ УГЛЕВОДОРОД-НЫХ СИСТЕМ 4. СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ 6

5. ПЛАСТОВЫЕ ВОДЫ И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 6. МОЛЕКУЛЯРНО-ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ НЕФТЬ – ГАЗ – ВОДА – ПОРОДА 7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ВОДОЙ И ГАЗОМ ИЗ КОЛЛЕКТОРОВ 8. ПОВЫШЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ 7

ЛИТЕРАТУРА 1. Гиматудинов Ш. К. , Ширковский А. И. Физика нефтяного и газового пласта. Учебник для вузов. -- М. : Недра, 1982. – 311 с. 2. Ермилов О. М. , Ремизов В. В. , Ширковский А. И. , Чугунов Л. С. Физика пласта, добыча и подземное хранение газа. – М. : Наука, 1996. – 541 с. 3. Мирзаджанзаде А. Х. , Аметов И. М. , Кова-лев А. Г. Физика нефтяного и газового пласта: учебник для вузов. – М. : Недра, 1992. – 270 с. 8

4. Гафаров Ш. А. , Лысенков А. В. Физика пласта: учебное пособие – Уфа: ООО «Монография» , 2008. – 224 с. 5. Зозуля Г. П. , Кузнецов Н. П. , Ягафаров А. К. Физика нефтегазового пласта: Учебное пособие – Тюмень: Тюм. ГНГУ, 2006. – 252 с. 6. Росляк А. Т. Физические свойства коллекторов и пластовых флюидов: учебное пособие. – Томск: ТПУ, 2010. – 128 с. 9

1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД – КОЛЛЕКТОРОВ НЕФТИ И ГАЗА 1. 1. НЕФТЕГАЗОНОСНЫЕ КОМПЛЕКСЫ 1. 2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛЛЕКТОРОВ 1. 3. КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИС-ТЫХ ПОРОД 1. 4. КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ТРЕЩИ-НОВАТЫХ ПОРОД 1. 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 10

1. 6. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 1. 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 11

1. 1. НЕФТЕГАЗОНОСНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Нефть и газ содержатся в нефтегазо-носных комплексах, характеризующих как пористые породы, так и экрани-рующие отложения-покрышки. Данный термин предложен А. А. Бакировым в 1959 г. 12

По масштабам распространения нефтегазоносные комплексы подразделяются на: Ø региональные (нефтегазоносные провинции), Ø субрегиональные (нефтегазоносные области), Ø зональные (нефтегазоносные районы) и 13 Ø локальные (месторождения, залежи)

Нефтегазоносная провинция — территория, объединяющая совокупность нефтегазоносных областей, приуроченных к одному или группе крупнейших геоструктурных элементов (синекли-зе, антеклизе и др. ) Cинекли за — обширный (до нескольких сотен км в поперечнике) пологий прогиб слоёв земной коры в пределах платформ, имеющий преимущественно неправильные округлые очертания; наклон слоёв на крыльях измеряется долями градуса. Антиклиза — обширное сводообразное поло-гое поднятие слоев земной коры в пределах плат-форм (плит) 14

Нефтегазоносная область - совокупность зон нефтегазонакопления, приуроченных к крупному геоструктурному элементу (ступени, своду, впадине, мегавалу и др. ). Нефтегазоносные области характеризуются общностью: ü геологического строения, развития (в т. ч. палеогеографического); ü литолого - фациальных условий нефтегазообразования и нефтегазонакопления в течение длительных периодов геологической истории. 15

Нефтегазоносный район - часть нефтегазо-носной области, выделяемая по геоструктур-ному или иногда по геогр. признаку. H. p. объединяет ассоциацию Нефтегазонакопления зон, приуроченных: к валообразным поднятиям - на платформах и в переходных областях; к антиклинориям - в подвижных поясах; к зонам выклинивания нефтегазоносных толщ; зонам развития соляных куполов или рифов и др. структурам. 16

Осн. характеристич. признаки H. p. : Øгеоструктурная характеристика, Øстроение приуроченных к нему м-ний (или зон нефтегазонакопления), Øвозраст нефтегазоносных комплексов, Øусловия накопления и залегания нефти и газа, фазовое состояние углеводородов в залежах 17

Нефтегазонакопления зона - совокупность площадного размещения смежных нефтяных и газовых месторож-дений, объединённых общностью структурных зон нефтегазонакопления или фазового состояния углеводородов в залежах. ЗОНА НЕФТЕГАЗОНАКОПЛЕНИЯ — крупные структурные элементы (напр. , на платформах — валы, а в передовых прогибах — антикли-нории), с которыми закономерно связываются гр. м-ний нефти и газа (Брод, Еременко, 1957) 18

Виды структурных зон нефтегазонакопления: Ø антиклинальные или валообразные месторождения нефти и газа; Ø месторождения c массивными залежами нефти и газа или co стратиграфически экранирован-ными залежами; Øместорождения c литологически экранирован-ными залежами нефти; Øместорождения c тектонически экранирован-ными залежами нефти; Øместорождения c литологически ограниченными залежами нефти или газа. 19

АНТИКЛИНАЛЬ — форма залегания (вытяну-тая складка) слоев горных пород с выпуклостью вверх 20

21

Месторождение нефти и газа — скопление углеводородов (нефти, газа и газоконденсата) в одной или нескольких залежах, связанных территориально, общностью геологического строения и нефтегазоности. Залежь углеводородов — естественное скопление углеводородов (нефти и/или газа) в ловушке. В подавляющем большинстве случаев залежи контактируют с пластовой водой. Они либо подпираются водой (водонапорный режим), либо «плавают» на воде (водоупругий режим). 22

Название типа залежи состоит из названия типа резервуара и ловушки. Например: пластовосводовая залежь, пластово-стратиграфическая, массивно-стратигра-фическая и т. д. Для того чтобы формировалась залежь нефти или газа, нужны, по крайней мере, три условия. 23

1. Нужен коллектор. Это пористая, проницаемая порода, способная принимать, отдавать нефть, газ, воду. Например песчаники, известняки. 2. Нужен природный резервуар – естественная емкость для нефти, газа и воды, форма которой обуславливается соотношением коллектора с вмещающими его плохо проницаемыми породами. Природный резервуар – это коллектор, ограниченный непроницаемыми породами. 3. Нужна ловушка – часть природного резервуара, в которой может формироваться или уже cформирова-лась залежь нефти и газа. 24

Различают следующие типы ловушек (рис. 1 -5): 1) структурные - антиклинали, купола, брахиантикли-нали (рис. 1. 4); 2) Неструктурные (рис 1. 5) 25

Игнатий Осипович Брод – один из учеников академика Губкина – в 1951 г. по характеру природного резервуара выделил три типа залежей : 1) пластовые залежи; 2) массивные залежи; 3) литологически ограниченные со всех сторон залежи. 26

27

Пластовые сводовые залежи – это залежи в антиклинальных структурах, они чаще всего встречаются на практике. Ловушка в пластовой сводовой залежи образо-вана изгибом перекрывающей покрышки. Пластовые залежи могут быть экранированными тектонически, стратиграфически, литологически. 28

Массивные залежи. Массивные резервуары представлены мощной толщей, состоящей из многих проницаемых плас-тов, не отделенных один от другого плохо прони-цаемыми породами. Нефть и газ насыщают массив в возвышающей части. Форма ловушки определяется формой изгиба кровли. 29

Классификация залежей По фазовому соотношению нефти и газа: нефтяные, содержащие только нефть, насыщенную в различной степени газом; газонефтяные, в которых основная часть залежи нефтяная, а газовая шапка не превышает по объему условного топлива нефтяную часть залежи; нефтегазовые, к которым относятся газовые залежи с нефтяной оторочкой, в которой нефтяная часть составляет по объему условного топлива менее 50 %; газовые, содержащие только газ; 30 газоконденсатные, содержащие газ с конденсатом; нефтегазоконденсатные, содержащие нефть, газ и конденсат.

По сложности геологического строения: простого строения — однофазные залежи, связанные с ненарушенными или слабонарушенными структурами, продуктивные пласты характеризуются выдержанностью толщин и коллекторских свойств по площади и разрезу; сложного строения — одно - и двухфазные залежи, характеризующиеся невыдержанностью толщин и коллекторских свойств продуктивных пластов по площади и разрезу или наличием литологических замещений коллекторов непроницаемыми породами либо тектонических нарушений; очень сложного строения — одно- и двухфазные залежи, характеризующиеся как наличием литологических замещений или тектонических нарушений, так и невыдержанностью толщин и коллекторских свойств продуктивных пластов, а также залежи сложного строения с тяжелыми нефтями. 31

По значениям рабочих дебитов (Конторович А. Э. и др. , 1975): Дебит нефти, т/сут Дебиты газа, м³/сут • 1 - высокодебитная - более 100 т/сут / более 1 млн. м³/сут; • 2 – среднедебитная – 10 т/сут / 100 тыс. - 1 млн. м³/сут; • 3 – низкокодебитная - 2 т/сут / 20 тыс. -100 тыс. м³/сут • 4 - непромышленная - менее 2 т/сут / менее 20 тыс. м³/сут 32

По величине извлекаемых запасов: уникальные — более 300 млн. т нефти или 500 млрд. м³ газа; крупные — от 30 до 300 млн. т нефти или от 30 до 500 млрд. м³ газа; средние — от 3 до 30 млн. т нефти или от 3 до 30 млрд. м³ газа; мелкие — от 1 до 3 млн. т нефти или от 1 до 3 млрд. м³ газа; очень мелкие — менее 1 млн. т нефти или менее 1 млрд. м³ газа 33

По количеству залежей выделяют однозалежные и многозалежные месторождения. Гигантское месторождение Боливар в Венесуэле содержит 325 залежей. По генетическому положению выделяют месторождения платформ и месторождения складчатых областей. Платформенные месторождения содержат 96 % запасов нефти и 99 % газа. В мире на платформах сосредоточено большинство месторождений: на Восточно. Европейской, Западно-Сибирской, Северо-Американской, Аравийской, Африканской платформах содержатся основные запасы нефти и газа в мире. 34

1. 2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛЛЕКТОРОВ Горные породы – природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре. Считается, что термин в современном смысле впервые употребил в 1798 году русский минералог и химик В. М. Севергин 35

Горные породы генетически делятся на 3 класса Происхождение (генезис) горных пород осадочные (пески, песчаники, доломиты, алевролиты, известняки) магматические (изверженные) метаморфические – результат изменения извержен-ных и осадочных пород. 36

Изверженные горные породы образовались в результате застывания и кристаллизации магматической массы сложного минералогичес-кого состава Осадочные горные породы содержат продук-ты разрушения литосферы поверхностными явлениями, мелкораздробленные продукты вулканической деятельности и продукты жизнедеятельности организмов Метаморфические горные породы образова-лись из осадочных и изверженных горных пород в результате физико-химических про-цессов под действием высоких давлений и температур. 37

Подавляющая часть месторождений нефти и газа приурочена к осадочным породам (терриген-ные и карбонатные отложения). При этом к терригенным коллекторам, т. е. к песчаным пластам и песчаникам, приурочено 60% запасов нефти в мире Многие залежи нефти и газа приурочены к коллекторам, сложенным в основном карбонатными породами — известняками, доломитами и др. – 39% мировых запасов Метаморфические и изверженные породы, образовавшиеся при высокой температуре - 1%. 38

Происхождение осадочных горных пород: • терригенные, состоящие из обломочного материала (пески, песчаники, алевролиты, глины, аргиллиты и т. д. ); • хемогенные (каменная соль, гипсы, ангидриды, доломиты и тд. ), образующиеся из минеральных веществ, выпавших из водных растворов; • органогенные (мел, известняки и тд. ), сложенные из скелетных остатков животных и растений. 39

Многие горные породы , залегающие в земной коре, имеют полости – поры, каверны, трещи-ны, карстовые пустоты и т. д. , являющиеся емкостями, в которых могут содержаться вода, нефть и газ. Такие породы, способные вмещать флюиды и пропускать их через себя, получили название – коллекторов. Коллектор -- это горная порода, обладающая способностью вмещать флюиды (нефть, газ и воду) и пропускать их через себя при наличии перепада давления. 40

Фотография полименерального песчаника, сделанная с помощью электронного сканирующего микроскопа 41

МОДЕЛИ КОЛЛЕКТОРОВ ПО ОРИЕНТИРОВАННОСТИ ПАРАМЕТРОВ В ПРОСТРАНСТВЕ изотропные Изотропия - независимость изменения физических параметров от направления анизотропные Анизотропия - различные изменения по отдельным направлениям. Упорядочные структуры - анизотропны по поверхностным параметрам.

ВИДЫ КОЛЛЕКТОРОВ ПОРОВЫЕ (ГРАНУЛЯРНЫЕ) По характеру ёмкостного пространства КАВЕРНОЗНЫЕ СМЕШАННЫЕ трещинно-пористые, трещиннокавернозные и т. д. При этом первая часть в названии определяет вид пустот по которым происходит фильтрация. ТРЕЩИННЫЕ

Гранулярные коллектора, сложены песчаноалевритовыми породами, состоящими из песчаников, песка, алевролитов, реже известняков, доломитов Коллекторы трещинного типа сложены преимущественно карбонатами, поровое пространство которых состоит из микро- и макротрещин. Коллектора смешанного типа в зависимости от наличия в них пустот различного вида подразделяются на подтипы: трещинно-пористые, трещинно-кавернозные, пористо - трещинные (первое название соответствует виду пустот по которым идет фильтрация). 44

По характеру пород коллектора делятся Терригенные Карбонатные Терригенные состоят из осадочных пород Карбонатные образовались в результате химических реакций в земной коре или жизнедеятельности организмов. 45

Представителями терригенных коллекторов являются пески, песчаники и песчано-глинистые породы. Зерна песков имеют размер от 0, 1 мм и более, частицы же песчаников и глинистых песчаников -- до 0, 01 мм и меньше. Емкостное пространство карбонатных коллекто-ров часто бывает представлено трещинами и кавернами. Трещины бывают самого разнообразного размера: от микротрещин шириной в несколько сотых или тысячных долей миллиметра до макротрещин, поперечный размер которых может исчисляться метрами. Каверны в карбонатных коллекторах также имеют различный размер. 46

Основные коллекторские свойства горных пород, определяющие их способность вмещать и пропускать через себя жидкости и газы при перепаде давления, называются фильтрационно-ёмкостными свойствами (ФЕС). 47

Слепок поровых каналов сцементированного песчаника ИДЕАЛИЗИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ ПОРИСТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ Фиктивный грунт Идеальный грунт

1. 3. КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ ПОРОД ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ПОРИСТОСТЬ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ Гранулометрическим составом породы называют количественное (массовое) содержание в породе частиц различной крупности Диапазон размеров частиц в нефтесодержащих породах 0, 01 – 1 мм Эффективный диаметр – такой диаметр шаров, образующих эквивалентный фиктивный грунт, при котором гидравлическое сопротивление, оказываемое фильтрующейся жидкости в реальном и эквивалентном грунте, одинаково.

Методы анализа гранулометрическ ого состава Ситовой анализ Седиментационный анализ d > 0, 05 мм 0, 01< d < 0, 3 мм Микроскопический анализ шлифов 0, 002 < d < 0, 1 мм 51

СИТОВОЙ АНАЛИЗ Ситовой анализ сыпучих горных пород применяют для определения содержания фракций частиц размером от 0, 05 до 6 - 7 мм, а иногда и до 100 мм. В лабораторных условиях обычно пользуются набором проволочных или шелковых сит с размерами отверстий (размер стороны квадратного отверстия) 0, 053; 0, 074; 0, 105; 0, 149; 0, 210; 0, 227; 0, 42; 0, 59; 0, 84; 1, 69 и 3, 36 мм. 52

Интегральное распределение частиц по размерам 53

Седиментационный анализ Объёмное осаждение Седиментационное разделение частиц по фракциям происходит вследствие различия скоростей оседания зерен неодинакового размера в вязкой жидкости. По формуле Стокса скорость осаждения в жидкости частиц сферической формы 54

СЛОЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ из монослоя Весовой седиментометр ВС - 3 55

ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД Под пористостью горной породы понимают наличие в ней пустот (пор, каверн, трещин). В зависимости от происхождения различают следующие виды пор 1. Первичные поры, образовавшиеся одновременно с формированием породы. Величина первичной пористости обусловлена особенностями осадконакопле-ния. Она постепенно уменьшается в процессе погружения и цементации осадочных пород. Вторичные поры 2. Поры растворения, образовавшиеся в результате циркуляции подземных вод. В карбонатных породах в результате процессов карстообразования образуются поры выщелачивания, вплоть до образования карста. 56

3. Поры и трещины, возникшие под влиянием химических процессов, приводящие к сокращению объёма породы. При доломитизации (превращение известняка в доломит) идет сокращение объемов породы приблизительно на 12 %, что приводит к увеличению объема пор. Аналогично протекает и процесс каолинизации – образование каолинита. 4. Пустоты и трещины, образованные за счет эрозионных процессов: выветривания, кристаллизации, перекристаллизации. 5. Пустоты и трещины, образованные за счет тектонических процессов, напряжений в земной коре. 57

КОЭФФИЦИЕНТ ПОРИСТОСТИ ПОЛНАЯ ОТКРЫТАЯ mо = Vп/V ДИНАМИЧЕСКАЯ Для газовых и нефтяных коллекторов в большинстве случаев m=15 -22%, но может меняться в широких пределах: от нескольких долей процента до 52%.

ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД Иллюстративная модель порового пространства коллектора: 1 – изолированные поры; 2 – тупиковые поры; 3 – открытые поры; 59

Открытую пористость характеризует отношение объема порового пространства, включающего сообщающееся между собой поры, к общему объему образца. Часть этого порового пространства занята связанной водой. 60

Динамическую или эффективную пористость характеризует только объем тех поровых пространств, через которые возможно движение жидкости (воды, нефти) или газа под воздействием сил, соизмеримых с силами, возникающими при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. 61

Коэффициенты пористости некоторых осадочных пород Система связанных пор образует поровые каналы, которые делятся на: 1) сверхкапиллярные — d больше 0, 5 мм (течение нефти, газа и воды свободное); 2) капиллярные — от 0, 0002 мм (0, 2 мкм) до 0, 5 мм (фильтрация с участием капиллярных сил) 3) субкапиллярные — меньше 0, 2 мкм (0, 0002 мм) (жидкости перемещаться не могут, преобладают силы молекулярного взаимодействия) 62

П р о н и ц а е м о с т ь — параметр, характеризующий его способность пропускать через поры жидкость или газ при наличии перепада давления. Как и пористость проницаемость не постоянная величина и изменяется по площади пласта и по пластованию. ВИДЫ ПРОНИЦАЕМОСТИ АБСОЛЮТНАЯ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ k ФАЗОВАЯ (ЭФФЕКТИВНАЯ) ki ki

Абсолютной называется проницаемость при фильтрации через породу одной какой-либо жидкости (нефти, воды) или газа при полном насыщении пор этой жидкостью или газом. Абсолютная проницаемость характеризует физические свойства породы, т. е. природу самой среды. Фазовой эффективной называется проницаемость, определенная для какого-либо одного из компонентов при содержании в порах других сред. или Отношение фазовой проницаемости к абсолютной называется относительной проницаемостью. 64

65

66

Формула Дюпюи, формула радиального притока к скважине 67

68

69

ФИЛЬТРАЦИЯ ГАЗОВ Газ – сжимаемая система и при уменьшении давления по длине образца объёмный расход газа непостоянный. Q 0 — расход газа при атмосферном давлении р0. 70

РАДИАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ПЛАСТОВЫХ ФЛЮИДОВ h При фильтрации жидкости При фильтрации газа 71

Зависимость проницаемости от пористости Идеальный грунт где n – число пор на единицу площади фильтрации; r – радиус порового канала; F – площадь фильтрации; Р – перепад давления; L – длина порового канала; – вязкость жидкости. – структурный коэффициент, учитывающий извилистость порового пространства (1, 7 – 2, 6) 72

Насыщенность Водонасыщенность (Sв) характеризует отношение объёма открытых пор, заполненных водой, к общему объёму пор горной породы Нефтенасыщенность Газонасыщенность Sв + Sн + Sг = 1, Для сформированных нефтяных месторождений остаточная водонасыщенность изменяется в диапазоне от 6 до 35 %. Нефтенасыщенность (Sн), равная 65 % и выше (до 90 %) пласта считается хорошим показателем залежи. 73

Эффективная и относительные проницаемости для различных фаз находятся в тесной зависимости от нефте-, газо- и водонасыщенности порового пространства породы и физико-химических свойств жидкостей. При содержании воды в несцементированном песке до 26– 28 % относительная проницаемость для неё остается равной нулю. Для других пород: песчаников, известняков, доломитов, процент остаточной водонасыщенности, как неподвижной фазы, еще выше. При возрастании водонасыщенности до 40 % относительная проницаемость для нефти резко снижается, почти в два раза. При достижении величины водонасыщенности песка около 80 % , относительная фазовая проницаемость для нефти будет стремиться к нулю 74

ФИЛЬТРАЦИЯ СМЕСИ ЖИДКОСТИ И ГАЗА песок песчаник известняки и доломиты Вода с увеличением её содержания в пористой среде приблизительно от 30 до 60 % не влияет на фильтрацию газа. При водонасыщенности до 60 % из пласта можно добывать чистый газ. 75

При газонасыщенности меньше 10 % и нефтенасыщенности меньше 23 % в потоке будет практически одна вода. При газонасыщенности меньше 10 % движение газа не будет происходить. При содержании в породе газа свыше 33– 35 % фильтроваться будет один газ. При нефтенасыщенности меньше 23 % движение нефти не будет происходить. При содержании воды от 20 до 30 % и газа от 10 до 18 % фильтроваться может только одна нефть. Область существования трёхфазного потока (совместного движения в потоке всех трёх систем) для несцементированных песков находится в пределах насыщенности: нефтью от 23 до 50 %, водой от 33 до 64 %, газом от 14 до 33 %. 76

Физические свойства коллекторов ПОНЯТИЕ О НЕОДНОРОДНОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ Под геологической неоднородностью изучаемого объекта разработки следует понимать всякую изменчивость характера и степени литолого-физических свойств слагающих его пород по площади и разрезу. Макронеоднородность изучаемого объекта характеризуется в разрезе чередованием пород коллекторов с практически непроницаемыми породами. На границе этих пород основные параметры продуктивных пластов будут изменяться резко и скачкообразно. Микронеоднородность отражает структурные, текстурные и другие особенности строения выделенной для изучения «однородной» породы. Коллекторские свойства в этом случае изменяются более плавно и непрерывно. Поскольку месторождения в основном многопластовые и, как правило, единый эксплуатационный объект содержит значительное число пластов и пропластков, скоррелированных по площади, то геологическую неоднородность целесообразно изучать по разрезу и по площади. 77

ФИЛЬТРАЦИЯ В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ Виды макронеднородности Слоистая Зональная Общая

закон Ома I =U / R приток к галереи приток к скважине соотношения для притока для последовательных сопротивлений R = Ri для параллельных -

СЛОИСТАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ Многослойный пласт - неоднородность по толщине пласта. Пропластки - гидравлически изолированы, либо гидравлически сообщающиеся. В пределах каждого пропластка фильтрационные параметры постоянны, а на границе соседних они претерпевают скачок. Если течение потенциально, то полный дебит пласта определяется как сумма дебитов всех пропластков. Квазиоднородное приближение:

ЗОНАЛЬНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ Пласт по площади состоит из нескольких зон различных фильтрационных параметров, на границах которых данные параметры меняются скачкообразно. Массовый дебит постоянен и равен: при плоскорадиальном потоке Квазиоднородное приближение:

ИДЕАЛИЗИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ ТРЕЩИНОВАТО-ПОРИСТЫХ КОЛЛЕКТОРОВ Схема одномерной Схема пространственной модели трещинной среды - раскрытие; l - линейный размер блока породы

ПАРАМЕТРЫ ТРЕЩИННОЙ СРЕДЫ ТРЕЩИНОВАТОСТЬ ГУСТОТА отношение объёма трещин Vт ко всему объёму V трещинной среды. отношение полной длины li всех трещин, находя-щихся в данном сечении трещинной породы к удвоенной площади сечения f РАСКРЫТОСТЬ т Ширина трещины mт= т. Г т,

т0 - ширина трещины при начальном давлении р0 ; *т= п l / т0 - сжимаемость трещины; п - сжимаемость материалов блоков; l - среднее расстояние между трещинами. Для трещинных сред l/ т >100 и поэтому сжимаемость трещин высока.

Карбонатность горных пород Под карбонатностью породы понимается содержание в ней солей угольной кислоты: известняка – Са. СО 3, доломита – Са. СО 3· Мg. СО 3, соды – Na 2 СО 3, поташа – K 2 СО 3, сидерита – Fe. СО 3 и других. Определение карбонатности пород проводят для выяснения возможности проведения солянокислотной обработки скважин с целью увеличения вторичной пористости и проницаемости призабойной зоны, а также для определения химического состава горных пород, слагающих нефтяной пласт. Карбонатность пород продуктивных пластов определяют в лабораторных условиях по керновому материалу газометрическим методом. Са. СО 3 + 2 HCl = Cа. Cl 2 + CO 2↑ + H 2 O По объёму выделившегося газа (CO 2) вычисляют весовое (%) содержание карбонатов в породе в пересчёте на известняк (Са. СО 3). 85

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Упругость – свойство горных пород сопротивляться изменению их объёма и формы под действием приложенных сил. Прочность на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг горной породы оценивается через модули, представляющие собой сопротивление, которое оказывает данное тело различным видам деформации. Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает её в течение длительного времени, то оно называется пластичным. Горные породы Растяжение Изгиб Сдвиг Граниты 0, 02 -0, 04 0, 08 0, 09 Песчаники 0, 02 - 0, 05 0, 06 - 0, 2 0, 1 -0, 12 Известняки 0, 04 - 0, 1 0, 08 - 0, 15 Сопротивление некоторых горных пород при разных деформациях (в долях от прочности на сжатие) 86

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Основные факторы, определяющие физико-механические свойства породы 1) глубина залегания породы, определяющая величину давления, испытываемого породой от веса вышележащей толщи (горное давление); 2) тектоника района, определяющая характер и степень интенсивности испытанных породой деформаций; 3) стратиграфические условия залегания; 4) внутрипластовое давление и условия насыщения пор жидкостями. 87

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД pг- горное давление n — коэффициент бокового распора Для пористого элемента породы Коэффициент объемной упругости пористой βс среды характеризует относительное (по отношению ко всему выделенному элементу объема пласта) изменение объема порового пространства при изменении давления на 1 Па. 88

Физические свойства коллекторов П Ь Е З О П Р О В О Д Н О С Т Ь П ь е з о п р о в о д н о с т ь — параметр, характеризующий скорость перераспределения давления в упругом пласте в связи с изменением пористости и проницаемости. В зоне насыщенной нефтью, она имеет меньшее значение, чем в зоне, насыщенной водой. 89

П Ь Е З О П Р О В О Д Н О С Т Ь где — коэффициент проницаемости в м 2; — динамическая вязкость жидкости в Па·с; и — коэффициенты объемной упругости или коэффициенты сжимаемости жидкости и пласта (пористой среды) в Па – 1 ; — коэффициент упругоемкости пласта в Па – 1; - эффективная пористость 90

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими физическими параметрами: • удельной теплоёмкостью; • коэффициентом теплопроводности; • коэффициентом температуропроводности. Удельная (массовая) теплоёмкость характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагрева единицы массы породы на 1° [ дж/(кг • К)] Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Чем больше пористость, температура и влажность горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды Удельная теплоёмкость для горных пород, слагающих нефтяные залежи, изменяется в небольших пределах 0, 4 – 1, 5 к. Дж/(кг·К). 91

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Коэффициент теплопроводности (λ) характеризует количество теплоты d. Q, перено-симой в породе через единицу площади S в единицу времени t при градиенте температуры (d. T/dx), равном единице [вт/(м • К)] К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и возрастает с увеличением плотности пород и их влажности. С ростом пористости пород теплопроводность их уменьшается. При свободном движении вод, способствующем дополнительному переносу тепла, коэффициент теплопроводности пород возрастает с увеличением проницаемости. С увеличением нефтенасыщенности пород коэффициент теплопроводности также уменьшается. Породам также присуща анизотропия тепловых свойств — в направлении напластования теплопроводность выше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию. Рост газонасыщенности пород, так же как и уменьшение влажности, сопровождается уменьшением теплопроводности 92

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Коэффициент температуропроводности (α) горных пород характеризует скорость прогрева пород, т. е. скорости распространения изотермических границ [м 2/сек]. Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она более низкая, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуропроводность пород почти не зависит от минерализации пластовых вод. Вдоль напластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования. Коэффициенты линейного (αL) и объёмного (αV) теплового расширения характеризуют изменение размеров породы при повышении тем-ры на d. T [1/K] 93

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД с, к. Дж/кг К , Вт/м К 103, м 2/с Глина 0, 755 0, 99 0, 97 – Глинистые сланцы 0, 772 1, 54– 2, 18 0, 97 0, 9 Доломит 0, 93 1, 1– 4, 98 0, 86 – 1, 1 2, 18 0, 5 -1, 2 0, 5– 0, 89 Известняк доломитизированный 1, 51 – – – Кварц 0, 692 2, 49 1, 36 0, 92– 2, 18 – – – 0, 8 0, 347 0, 2 0, 5 – 3, 42 – – 1, 27– 3, 01 0, 838 1, 39 0, 5 Пластовые флюиды: Нефть 2, 1 0, 139 0, 069– 0, 086 – Вода 4, 15 0, 582 0, 14 – Горная порода Известняк кристаллический Мергель Песок (сухой) Песок с влажностью 20– 25 % Песчаник плотный L 105, 1/К 94

Физические свойства коллекторов Модель пласта – это система количественных представлений о его геологофизических свойствах, используемая в расчетах разработки нефтяного месторождения. Модели пластов с известной условности подразделяют на детерминированные и вероятностно-статистические. степенью Вероятностно-статистические Детерминированные модели — это такие модели, модели ставят в соответствие реальному пласту некоторый в которых стремятся воспроизвести как можно точнее фактическое строение и свойства пластов. гипотетический пласт, Другими словами, детерминированная модель при имеющий такие же вероятностно-статистичес-кие все более детальном учете особенностей пласта должна стать похожей на «фотографию» пласта. характеристики, что и реальный. Практическое применение детерминированных моделей пластов стало возможным благодаря широкому развитию быстродействующей вычислительной техники и соответствующих математических методов. 95

Физические свойства коллекторов Вероятностно-статистические модели Модель однородного пласта В этой модели основные параметры реального пласта (пористость, проница-емость), изменяющиеся от точки к точке, усредняют. Часто, используя модель такого пласта, принимают гипотезу и о его изотропности, т. е. равенстве проницаемостей в любом направлении, исходящем от рассматриваемой точки пласта. Свойства пласта в количественном выражении определяют как средневзвешенные по объему величины: Чаще используют средневзвешенные по площади залежи величины, которые устанавливают с помощью карт равных значений рассматриваемых параметров: — параметр, определяемый как средний между двумя соседними линиями равных его значений; — площадь, образованная двумя соседними линиями с параметрами и ; — общая площадь залежи. 96

Физические свойства коллекторов Вероятностно-статистические модели Модель зонально-неоднородного пласта – это пласт, свойства которого не изменяются по толщине, а на его площади выделяются зоны прямоугольной или квадратной формы с различными свойствами. Каждую зону можно рассматривать как элементарный однородный объем пласта (сторона квадрата) размером больше или равным расстоянию между соседними скважинами. Модель слоисто-неоднородного пласта представляет собой пласт, в пределах которого выделяются слои с непроницаемыми кровлей и подошвой, характеризующиеся различными свойствами. По площади распространения свойства каждого слоя остаются неизменными. Сумма всех слоев равна общей нефтенасыщенной толщине пласта, т. е. , где n –число слоев. 97

Физические свойства коллекторов Вероятностно-статистические модели Модель зонально-неоднородноrо и слоистонеоднородноrо пласта объединяет характеристики предыдущих двух моделей. Для иллюстрации на рис. изображена схематично модель такого пласта. Модель пласта с двойной пористостью представляет собой пласт, сложенный породами с первичной (гранулярной) и вторичной (трещиноватой) пористостью. По первичной пористости определяют запасы углеводородов в пласте, поскольку коэффициент пористости на порядок больше коэффициента трещиноватости. Однако гидродинамическое движение жидкостей и газов, вызванное перепадом давления, происходит по системе трещин, которая определяет проницаемость пласта. 98