Лекция 3 Роль температуры давления и возраста

Лекция 3 • Роль температуры, давления и возраста пород в процессах нефтегазообразования. • Нефтематеринские свиты, коллектора, покрышки

Температурное поле Земли • Температура – один из главнейших факторов преобразования минерального и органического вещества в толще Земли. • С глубиной температура возрастает. • Температура гранитного (кислого состава) расплава 600 -700 о. С • Температура базальтового расплава (основного состава) – 1200 о. С.

Источники тепла и градиент t • Предполагается, что первичный разогрев внутренних оболочек Земли произошел при ее формировании из газопылевого облака (в результате акреции). • Внутренние (дополнительные) источники тепла Земли являются: распад долгоживущих радиоактивных изотопов (уран-235 и -238, торий-232, калий-40), гравитационная дифференциация вещества, приливное трение, метаморфизм, фазовые переходы. • Представление о температурных условиях на глубине дают измерения t в скважинах или на дне океана. • Геотермия наука – раздел геофизики, занимающийся изучением теплового поля Земли • Характеристика температурного поля - градиент температур (Г= (T 1 -T 2)/h) - град/100 м или град/км • Градиент может меняться от 13 -15 до 25 -100 град/км

На значение градиента t влияют: причины: климат рельеф контрасты теплопроводности циркуляция флюидов осадконакопление тектонические движения + “поверхностная радиогенная теплогенерация” – эффекты “ ”- факторов можно вычислить, если известны все необходимые данные; – противоположные по знаку эффекты одного и того же фактора при региональном осреднении значений q в той или иной мере взаимно компенсируются.

Влияние различной теплопроводности пород на величину термического градиента Высокая теплопроводность Низкая теплопроводность Схематическое распределение температуры (Т) и градиента температуры (Г) в скважине при наличии пород с различной теплопроводностью. Особенно контрастн теплопроводность соли и терригенных осадочных пород

Теплопроводность горных пород • Теплопроводность большинства осадочных пород меняется от 1. 3 до 2. 3 Вт/(м*К). Наиболее контрастны по теплопроводности соль (3. 6) и доломит (3. 2 Вт/(м*К))

Влияние рельефа на распределение температур эффект увеличения поверхности h 1 h 2 • h 1>h 2 значит Г 1< Г 2 • во впадинах (синклиналях) картина будет обратной

Влияние скорости осадконакопления на характер распределения температур Интенсивное заполнение молодыми осадками Изотермы h 1 h 2 h 1>h 2 значит градиент температур в верхней части разреза будет иметь заниженное значение. Следствие – тепловой поток может меняться с глубиной. Со временем тепловое поле выравнивается • При высоких скоростях осадконакопления верхние горизонты осадочного чехла не успевают прогреваться. Это типично для молодых бассейнов горноскладчатых поясов (Южно. Каспийская впадина, Мексиканский залив и т. п. )

Структурно-геотермический профиль вдоль линии месторождений Байдарацкое-Тасийское (Зап. Сибирь) 9 Почему на одних и тех же глубинах температуры разные?

Виды теплопереноса в литосфере • Кондуктивный – перенос тепла, передаваемый через матрикс пород (за счет их теплопроводности). • Конвективный – перенос тепла подвижной фазой (перетоки воды, нефти, газа). • Для региональных оценок температурного поля Земли используется величина кондуктивного теплового потока. • Конвективная составляющая является искажающим фактором

Тепловой поток и температура. • 1. Измерения теплового потока. Скорость, с которой тепло двигается к дневной поверхности – тепловой поток -Q (джоуль/сек). Плотность теплового потока – тепловой поток, проходящий через 1 квадратный метр (вт/м 2). • Как измерить тепловой поток на практике? Количество тепла (тепловой поток Q), переносимое через блок пород рассчитывается по разнице Уравнение тепловой кондукции температур ( Т) подошвы и кровли, длине блока (L), площади его сечения (А=1) и значению теплопроводности ( ) с использованием уравнения тепловой кондукции.

• (теплопроводность пород) характеризует легкость, с которой тепло переносится через материал. • Плотность теплового потока (q) рассчитывается по формуле: - - • измеряется на двух глубинах с использованием термометров измеряется в лабораторных условиях, Плотность теплового потока на поверхности Земли изменяется в пределах от 40 до 200 м. Вт/м 2.

Кондуктивный тепловой поток • Рассчитывается по формуле: Q= λ*(∆T/∆h) – где λ – теплопроводность, а (∆T/∆h) – градиент t (изменение t на отрезке глубин h). Ед. измерения Q - м. Вт/м² или мккал/(см 2 сек) Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87± 2 м. Вт/м² В океанах этот показатель составляет в среднем 101± 2 м. Вт/м², на континентах — 65± 2 м. Вт/м² На древних континентальных щитах — 29 -49 м. Вт/м²

Тепловой поток Земли Величина потока зависит от возраста и типа коры. Максимальные значения потока отмечаются в областях тектоно-магматической активности (срединноокеанические хребты, вулканические районы, молодые рифты

Карта тепловых потоков Америки (2004) • На континентах минимальные значения тепловых потоков отмечаются на древних кратонах, • повышенные – в пределах горноскладчатых поясов (особенно в местах проявления молодой вулканической активности), молодых рифтах.

Карта градиентов температур (о. С/км) США

Плотность кондуктивного теплопотока q (HFU, m. W/m 2) q = grad. T x K, где grad. T – градиент Т, а K – коэфициент теплопроводности пород Чем больше “tectonic age”, тем меньше плотность фонового кондуктивного теплопотока “Heat flow–age dependence” in continents

Зависимость величины теплового потока от возраста коры. Зависимость теплового потока через океаническое дно от возраста литосферных плит (Сорохтин, 1974): 1 – теоретическая кривая суммарного теплового потока; 2 – кондуктивная составляющая теплового потока (среднее значение по экспериментальным определениям); 3 – экспериментальные измерения теплового потока в Южной Атлантике и Тихом океане

Формы нахождения углеводородов в земной коре (по фазовому составу) 19

Стадии преобразования органического вещества Градации Температу Стадии (по Н. Б. углефикации ра, о. С Вассоевичу) Б 1 Б 3 ПК 1 ПК 3 Д, Г, Ж МК 1 МК 3 К МК 4 ОС МК 5 Т ПА АК 1 АК 2 25 -90 Характеристика генерируемых УВ систем Стадия незрелого ОВ пород. Фаза генерации низкотемпературных биогенных газов (СН 4) 90 -180 Главная фаза нефтеобразования (ГФН) 180 -215 Поздняя стадия ГФН, начало генерации газоконденсатов 215 -240 Газоконденсаты и жирные газы Более 240 Высокотемпературные сухие газы (СН 4, Н 2 S, CO 2)

Общая схема образования углеводородов на различных этапах погружения осадков по (Ал. А. Петрову, 1984) (зависимость от температуры)

Давление • Измеряется в: атм. , Мпа • 1 атм ~ 0, 1 Мпа • 1 атм (физ) ~ 10 м. воды (10, 33) 1 ат (тех)=10 м воды= 0, 1 Мпа • Различают давление: Литостаническое, Гидростатическое и Аномальное.

Пластовые давления • Литостатическое давление – вес горных пород на какойлибо глубине с насыщающими их флюидами (зависит от глубины и плотности пород 2. 2 -2. 8 г/см 3). • Гидростатическое давление – давление, создаваемое водяным столбом (1 атм ~ 0, 1 МПа ~ 10 м воды). • Пластовое давление, под которым находятся жидкость (нефть, вода) и газ, насыщающие поровое пространство и (или) трещины коллекторов нефтяных и газовых месторождений (оно может быть выше, ниже или равно гидростатическому давлению). • АНОМАЛЬНОВЫСОКОЕ ПЛАСТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ (АВПД) — давление, действующее на флюиды (воду, нефть, газ), содержащиеся в поровом пространстве породы (коллекторе), величина которого отличается от нормального (гидростатического). • АНОМАЛЬНОВЫСОКОЕ ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ (АВПОД) – то же, но применительно к глинам.

Гидростатические напоры, напорные флюиды НО не в любом случае когда Рпласт>Рг. стат можно говорить об АВПД !

Понятие АВПД Основной характеристикой АВПД является Коэффициент аномальности (Кан) - отношение наблюдаемого пластового давления к условному гидростатическому давлению, определенному для данной глубины замера (Кан - величина безразмерная): Кан= Рпл/РУсл. гидр. 1. АВПД отвечает условию Кан ≥ 1, 3 2. Повышенные пластовые давления 1, 3 ≥ Кан ≥ 1, 1 АВПД может достигать 30 -80 м. ПА (300 -800 атм).

Пример изменения пластового давления флюида в скважине то Ли ск че тиче оста ти ста Гидр ое ен вл ение давл ие ское да АВПД 15 -20% Кстати: В газовых скважинах давление на оголовке скважины может достигать 200 -400 атм и при этом не являться АВПД!!!

Необходимость изучения вопросов, связанных с АВПД Объекты с АВПД представляют наиболее серьезную опасность из-за масштаба связанных с ними явлений, по существу технических катастроф АВПД – потенциальный источник аварий в процессе бурения неожиданное вскрытие зон АВПД – основная причина открытых фонтанов и выбросов пластовых флюидов Недоучет этих факторов приводит: – к аварии и затратам на перебуривание, замену оборудования; – к серьезным экологическим последствиям, иногда катастрофического масштаба; – при проходке скв в зоне АВПД – может происходить смятие обсадной колонны (недостаточная толщина стенки, некачественный цементаж заколонного пространства), – к активизации перетоков из зоны АВПД в зоны с гидростатическим давлением или АНПД – т. е. в верхние водоносные горизонты, реже вниз– в продуктивный горизонт – газовую залежь.

Открытый фонтан нефти в скв. 45 месторождения Локбатан (Азербайджан, 1933 г) из книги: Сухарев Г. М. , Тарануха Ю. К. 'Полезные ископаемые Кавказа‘, 1979. Разгрузка из зоны АВПД с выбросом бурового инструмента

Причины возникновения АВПД Факторы: замкнутость залежи (затрудненность оттока флюидов) + изменение объема флюида или величины пористости. Процессы: • Частичная передача литостатического давления на гидростатическое - за счет уплотнения тонкодисперсных пород - при стрессовых тектонических нагрузках (при тектонических деформациях) - при формировании соляных и глиняных диапиров • Изменение объема флюида или порового пространства за счет (катагенетических процессов): - нефте- и газогенерации - дегидратации минералов - кальматации порового пространства коллекторов вторичными минералами

Распространение зон АВПД Российская Федерация Мегапровинции: Восточно-Европейская, Скифско. Туранская, Восточно-Сибирская, Западно-Сибирская Южная Америка Колумбия, Эквадор, Перу, Бразилия, Венесуэлла Африка Марокко, Алжир, Нигерия, дельта реки НИЛ, в районах Красного моря Юго-Восточная Азия, Австралия и Океания

Распространение зон АВПД Аномальные пластовые давления в нефтегазоносных бассейнах Европы и Таджикистана (по Фертлу, Каломазову и Вахитову). 1 — Австрия; 2 — Германия; 3 — Венгрия; 4 — Италия; 5 — Норвегия 6 — Таджикистан; 7 — Великобритания.

Влияние давления на процессы образования УВ • Принцип Ле Шателье — Брауна (1884 г. ) — если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температуру, давление, концентрацию), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия. • Давление особенно сильно влияет на равновесия в реакциях со значительными изменениями объема веществ, например, с участием газов: При повышении давления равновесие сдвигается в направлении, в котором уменьшается суммарное количество молей газов и наоборот. • Т. е. рост давления оказывает ингибирующее воздействие на процессы нефте- и газогенерации; • Давление так же определяет фазовое равновесие в системе «газфлюид» , определяя равновесие в первичных и вторичных залежах газоконденсатов

Кс – коэффициент сверхгидростатического давления: Кс= Рпласт/Ргидрост Газовые Нефтяные Газоконденсат (перв. ) Газоконденсат (вторич) Диаграмма генетической фазовой зональности углеводородов. По Ермолкин, Керимов, 2012 • Месторождения: 1 газовые; 2 нефтяные; 3 газоконденсатные (первичные); 4 газоконденсатные (вторичные, нанесены по данным современных температур). Зоны образования вторичных конденсатов: I в результате прямого испарения нефти; II в результате растворения нефти в сжатом газе. • Первичные конденсаты: А слабопревращенные, Б превращенные, В сильно превращенные

• В условиях нормальных гидростатических давлений процесс генерации нефти начинается приблизительно при температуре 9095 С и затухает на рубеже 120 125 С (~2, 5 -4 км). Однако это не исключает образования и существования нефтяных углеводородов и при более высоких температурах (до 200 С и более), если эти температуры в недрах снивелированы сверхгидростатическими пластовыми давлениями (Кс 1, 2 1, 95). • При одних и тех же температурах, но при разных давлениях могут встречаться различные генетические типы газоконденсатов. • Все это создает предпосылки для поиска месторождений нефти, кондесата и газа на больших глубинах (>5 -6 км). • Перспективны бассейны с низкими тепловыми потоками и мощным чехлом терригенных пород (существенно глинистого состава) – более 10 -15 км (Южно-Каспийский, Мексиканский залив). • Разведка больших глубин может явится альтернативой освоения полярных областей – дает новую жизнь старым промысловым районам

Изменения фазового состояния углеводородной системы в верхней термобарической мегазоне (при гидростатическом Р) в зависимости от геохронотермических условий Генетические зоны Газовая (биогенная) Газовая и начало генерации нефти Газонефтяная Нефтяная Газоконденсатная Газовая 65 65 95 15 15 30 Средние скорости нарастания температур во времени, С/млн лет 4, 3 2, 0 95 110 120 150 30 40 40 50 50 100 1, 5 1, 0 0, 6 0, 5 Геологическое Палеотемпература, время, млн С лет

Углистое вещество (термины) • Остатки растительного материала, существенно потерявшие свой первоначальный облик в ископаемом состоянии, относят к двум группам - витринита (от лат. “витрум” - стекло) и инертинита (от лат. “инертис” бездеятельный, неподвижный). • Витринит образуется в восстановительной обстановке, инертинит - в окислительной. • Витринит – основной компонент угля.

1. Торф 2. Бурый уголь 3. Длиннопламенный 4. Газовый 5. Жирный 6. Коксовый 7. Отощенноспекающийся 8. Тощий 9. Полуантрацит 10. Антрацит Возрастание степени метаморфизма Последовательность преобразования углистого вещества

• Отражательная способность витринита геохимический метод, используемый для определения зрелости ОВ материнской породы. • Отражательная способность витринита углей (Ro, %) определяется интенсивностью отраженного луча монохроматического света, падающего на поверхность отшлифованного образца или брикета. Она связана с химическими и физико-химическими процессами превращения органических веществ (ОВ), поэтому численное значение отражательной способности является критерием степени превращения их в недрах Земли и коррелирует с температурой.

Шкала катагенеза (по Н. Б. Вассоевичу) и углефикации органического вещества пород Отражательная Ориентиров Градации Подстадии Углемарочная шкала способность витринита очная катагенеза (марки углей) палеотемпе а в масле (Rо) в воздухе (Rа) ратура, С Протокатагенез ПК 1 Б 1 мягкий бурый уголь До 0, 30 5, 5 6, 0 25 50 ПК 2 Б 2 матовый бурый уголь 0, 30 0, 40 6, 5 50 75 ПК 3 Б 3 матовый бурый уголь 0, 40 0, 50 6, 5 7, 0 75 90 Мезокатагенез МК 1 Д длиннопламенный 0, 5 0, 65 7, 0 7, 5 90 120 МК 2 Г газовый 0, 65 0, 85 7, 5 8, 2 120 160 МК 3 Ж жирный 0, 85 1, 15 8, 2 9, 0 160 190 МК 4 К коксовый 1, 15 1, 55 9, 0 9, 8 190 215 МК 5 ОС отощенноспека- 1, 55 2, 00 9, 8 10, 7 215 235 ющийся Апокатагенез АК 1 АК 2 АК 3 АК 4 Т тощий ПА полуантрацит А антрацит 2, 00 2, 50 10, 7 11, 5 2, 50 3, 50 11, 5 13, 0 3, 50 4, 70 13, 0 14, 5 4, 70 и более 14, 5 и более Более 240

Зависимость величины отражательной способности витринита от температуры и времени воздействия (Cooper. 1978, цит. по Перродон, 1991) млн. лет

Стадии преобразования органического вещества Градации Стадии (по Н. Б. углефикации Б 1 Б 3 Д, Г, Ж К ОС Т ПА Значения Характеристика Rо, % генерируемых УВ систем Вассоевичу) ПК 1 ПК 3 0, 25 0, 50 Стадия незрелого ОВ пород. Фаза генерации низкотемпературных биогенных газов МК 1 МК 3 0, 50 1, 15 Главная фаза нефтеобразования (ГФН) МК 4 1, 15 1, 60 Поздняя стадия ГФН, начало генерации газоконденсатов МК 5 1, 60 2, 05 Газоконденсаты и жирные газы АК 1 АК 2 Более 2, 05 Высокотемпературные сухие газы (СН 4, Н 2 S, CO 2)

Цикл НГ-накопления 1. Накопление ОВ (седиментогенез) – формирование пород , обогащенных ОВ (нефтегазоматеринских свит) 2. Генерация нефти и газа (катагенез-ранний метагенез) в НГ-свитах – образование из керогена, воднорастворенных, жидких и газообразных УВ. 3. Миграция (отток) флюидов из мест образования – из нефтематеринских толщ. 4. Накопление - образование месторождений и залежей. 5. Разрушение скоплений НГ (гипергенное, термическое, биогенное)

Нефтегазоматеринская свита (толща): 1. Комплекс пород, где осуществлялись (или осуществляются сейчас) процессы нефтегазогенерации (понятие введено А. Д. Архангельским (1927), И. М. Губкиным (1932)). 2. НГМ свита – парагенетическая ассоциация обогащенных автохтонным ОВ пород (>0, 1 -0, 5%), рождающая в процессе литогенетической эволюции углеводороды, способные к аккумуляции (Баженова и др. 2004). 3. Нефтегазоматеринская свита = нефтематеринская свита (может генерировать нефть и газ). Газоматеринская свита – комплекс пород, генерирующий газ. Эти термины бывают взаимозаменяемые, а иногда и противопоставляются – в случае свит обогащенных гумусовым и сапропелевым в-вом

Литологические особенности НГ-свит • Породы, обогащенные ОВ, часто характеризуются пелитово-глинистой размерностью терригенной составляющей (глины, алевролиты, аргиллиты), а в случае карбонатных пород (помимо обогащенных пелитово-глинистым терригенным материалом) – хемогенными или водорослевыми разностями карбонатов, тогда как зоогенные, обломочные и оолитовые разности содержат малое кол-во ОВ. • ПОЧЕМУ ТАК? ? ?

ПОРОДЫ: КОЛЛЕКТОРЫ И ПОКРЫШКИ • «Покрышки» ( «флюдоупоры» ) – слабопроницаемые породы, которые препятствуют рассеиванию углеводородов и, соответственно, разрушению их скоплений. • Коллектора - горные породы, обладающие способностью вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке, называются. • Коллектора бывают традиционные и нетрадиционные. К нетрадиционным относятся: трещиноватые глинистые сланцы, магматические и метаморфические породы (трещинная проницаемость), кремнистые толщи биогенного происхождения (межглобулярная проницаемость), т. е. породы с плохими фильтрационно-емкостными свойствами. 46