Физика пласта


Б. Б. Квеско, Н. Г. Квеско






                ФИЗИКА ПЛАСТА




Учебное пособие















Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2018

УДК 24.7
ББК 622.276.54
   К 32







  ФЗ    Издание не подлежит маркировке
№436-Ф3  в соответствии сп.1ч.4ст.11  

       Квеско Б. Б., Квеско Н. Г.
К 32 Физика пласта. Учебное пособие/ Б. Б. Квеско, Н. Г. Квеско. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 228 с.

ISBN 978-5-9729-0209-5


       Изложено геологическое строение залежи, ее физическая характеристика, физические и физико-химические свойства насыщающих породу флюидов. Представлен анализ обработки данных, полученных при вскрытии пласта и при его последующей эксплуатации. Описаны физические свойства пород нефтяных и газовых коллекторов; свойства пластовых жидкостей, газов и газоконденсатных смесей; методы их анализа, а также корреляционные зависимости для ряда основных параметров. Пособие предназначено для студентов направления 21.04.01 "Нефтегазовое дело".













© Квеско Б. Б., Квеско Н. Г., авторы, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018


ISBN 978-5-9729-0209-5

ВВЕДЕНИЕ


     Наука о нефти - многогранный и разносторонний информационный комплекс, охватывающий самые различные области знаний, использующий методы и результаты, полученные в математике, физике, химии, химической технологии, геологии, микробиологии, прикладной и теоретической механике, геофизике и в других областях. При этом наука о нефти сама способствует развитию многих разделов этих наук.
     Именно междисциплинарные контакты исследователей, работающих в области математики, физики, химии, геологии и других наук, и инженеров нефтяников, решающих прикладные задачи нефтегазодобычи, привели к созданию самостоятельной науки о нефти и природном газе.
     Эта обширная наука в свою очередь состоит из более частных: геофизики (геофизические методы разведки на нефть и газ), геологии нефти и газа, нефтегазопромыслового дела, подземной гидромеханики, технологии добычи нефти и газа, химии нефти и газа и т. п.
     Особое место в науке о нефти и газе занимает учение о нефтяном и газовом пласте, включающее в себя комплекс вопросов, связанных с изучением процессов, происходящих в нем. Это учение охватывает как геологическую характеристику пласта - коллектора нефти и газа - так и геофизические методы разведки на нефть и газ, физику и физико-химию газонефтяных пластов, подземную гидромеханику, методы подсчета запасов нефти и газа, теорию разработки нефтяных и газовых месторождений, теорию скважинной добычи, методы сбора и подготовки скважинной продукции, и ее дальнейшей транспортировки.
     Для грамотного и качественного решения прикладных задач нефтедобычи специалист-газовик или нефтяник должен хорошо знать геологическое строение залежи, ее физическую характеристику, физические и физико-химические свойства насыщающих породу флюидов; должен уметь правильно обработать и оценить данные, полученные при вскрытии пласта и при его последующей эксплуатации.

з

ФИЗИКА ПЛАСТА

     Подобного рода задачи являются основой науки, которая и получила название физики нефтяного и газового пласта.
     Предметом изучения физики нефтяного и газового пласта являются физические свойства пород нефтяных и газовых коллекторов; свойства пластовых жидкостей, газов и газоконденсатных смесей; методы их анализа, а также физические основы увеличения нефте- и газо-отдачи пластов [1].
     Как самостоятельная наука физика нефтяного пласта возникла более 70 лет назад в связи с необходимостью получения и обоснования исходных параметров для подсчета запасов и составления проектов разработки нефтяных и газовых месторождений.
     Процессы разработки и эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений тесно связаны с закономерностями фильтрации углеводородов и воды в горных породах, слагающих продуктивные пласты. Поэтому свойства горных пород и пластовых жидкостей предопределяют закономерности фильтрации нефти, газа и воды, дебиты скважин, продуктивность коллектора и, в целом, рациональную технологию разработки залежей нефти и газа.
     По мере эксплуатации залежей углеводородов происходит изменение значений пластовых давления и температуры, поэтому данные свойства необходимо рассматривать в динамике.
     Помимо этого всё большее число месторождений России переходят в категорию трудноизвлекаемых запасов, что требует рассмотрения физики и физико-химии вытеснения нефти и газа из пористых сред вытесняющими агентами, являющимися теоретической основой современных методов увеличения нефте- и газоотдачи пластов.
     В России курс физики пласта впервые был прочитан профессором М. М. Кусаковым для студентов Московского нефтяного института в 1948 г. [2].
     Базой для формирования данного курса и дальнейшего его развития стали результаты исследований многих отечественных и зарубежных ученых:

4

ВВЕДЕНИЕ

     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.
     Основные понятия курса «Физика пласта» базируются на изучении таких предметов, как:
     •  физика,
     •  химия (включая физическую и коллоидная химию),
     •  геология нефти и газа,
     •  механика горных пород,
     •  гидромеханика,
     •  механика сплошной среды.
     Курс «Физики пласта» закладывает основы понимания процессов, происходящих в нефтяных и газовых пластах:
     •  при бурении и разработки нефтегазовых месторождений;
     •  при осуществлении методов повышения нефтеотдачи залежей;
     •  при осуществлении методов интенсификации притока к скважинам

5

ГЛАВА 1.
ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ


     Нефть. Нефть и газ в современном мире - основные источники энергии. Главное их свойство - способность создавать тепловую энергию. Более 62% от потребляемой в мире энергии предоставляют человечеству нефть и газ.
     В настоящее время из недр Земли извлечено порядка 120 млрд. т нефти и ежегодно в мире добывается порядка 3,0 млрд. т нефти и 2,0 трлн. м³ газа [3].
     Извлекаемые запасы черного золота составляют приблизительно 150 млрд. т, прогнозные ресурсы - 190 млрд. т.
     К настоящему моменту в мире выявлено 407 осадочных бассейнов, из которых226 являются нефтегазоносными, 181 нефтегазоносными.
     Наиболее богаты нефтью страны Ближнего и Среднего Востока: Саудовская Аравия, Ирак, Кувейт, Иран, Абу-Даби. В бассейне Персидского залива сосредоточено 66,4% мировых разведанных запасов нефти, при объеме извлекаемых запасов по странам: в Саудовской Аравии 35,6 млрд. т, в Ираке - 15,34 млрд. т, в Кувейте - 13,10 млрд. т, в Иране - 12,10 млрд. т,ив ОАЭ - 12,10 млрд. т.
     Крупнейшей нефтедобывающей страной мира является Саудовская Аравия обладающая уникальными, гигантскими месторождениями высококачественной нефти. Поэтому стратегию и тактику развития мировой нефтедобывающей промышленности определяют страны Ближнего и Среднего Востока, так как из 44 зарубежных месторождений -гигантов 29 находится именно там. Второе место в мире по разведанным запасам нефти занимает Россия, где благодаря уникальным Западно-Сибирскому и Лено-Тунгусскому бассейнам сосредоточено 13% мировых запасов (18,8 млрд.т). На американском континенте наибольшие запасы сосредоточены в Венесуэле (10,46 млрд. т), США (4,04 млрд. т), Мексике (3,95 млрд. т). В недрах Африки залегает 9,25 млрд. т. По извлекаемым запасам лидирует Ливия (4,04 млрд. т), далее - Нигерия 6

ГЛАВА1

(3,06 млрд, т) и Алжир (1,26 млрд. т). В Азии основными нефтедобывающими странами являются Китай с запасами 3,29 млрд. т, Казахстан (1,08 млрд. т), Индонезия и Индия. Западная Европа оказалась обделенной этим стратегическим сырьем, там находится менее 2% мировых запасов. Свыше половины из них - собственность Норвегии (1,27 млрд. т), примерно четвертая часть - Великобритании (0,68 млрд. т).
     Более половины начальных суммарных ресурсов нефти мира, составляющих 440 млрд. т, сосредоточено в 7 уникальных и крупнейших бассейнах: Центрально-Европейском, Западно-Сибирском, Лено-Тунгусском, Персидском заливе, Мексиканском заливе, Сахаро-ВосточноСредиземноморском и Волго-Уральском.
     В табл. 1.1 приводятся сведения о запасах нефти уникальных месторождений мира.
             Таблица 1.1 Запасы уникальных месторождений мира

 №                              Год    Извлекаемые
п/п Месторождение    Страна   открытия   запасы,  
                                         млрд. т  
1   Гавар          Саудовская   1948      10,14   
                   Аравия                         
2   Большой Бурган Кувейт       1978      9,13    
3   Боливар        Венесуэла    1917      4,30    
4   Сафания        Саудовская   1951      2,91    
                   Аравия                         
5   Бурган         Кувейт       1938      2,24    
6   Киркук         Ирак         1957      2,12    
7   Румейла        Ирак         1953      1,85    
8   Гечсаран       Иран         1928      1,56    

     Из таблицы видно, что крупнейшим месторождением нефти в мире является Гавар в Саудовской Аравии. Несколько уступает ему по запасам Большой Бурган в Кувейте. На третьем месте - нефтяное месторождение Боливар в Венесуэле.
     Природный газ. Широкое применение природного газа началось лишь с середины XX столетия. Россия в настоящее время занимает 7

ФИЗИКА ПЛАСТА

первое место в мире по разведанным запасам газа, которые составляют 48,1 трлн, м³ газа. На втором месте - Иран (23,0 трлн. м³).
     Потенциальные ресурсы газа в России составляют 236 трлн.м³, а общие мировые потенциальные ресурсы - 398 трлн.м³.
     В табл. 1.2 приводятся сведения о газовых гигантах мира.

Таблица 1. 2

Мировые газовые гиганты

 №                           Доказанные запасы,
п/п Месторождение   Страна        млрд, м3     
1    Ямбургское     Россия          3640       
2   Штокмановское   Россия          3200       
3    Уренгойское    Россия          2200       
4   Хасси-Р'Мель    Алжир        1500-2300     
5     Панхендл       США            2000       
6   Оренбургское    Россия          1800       
7     Слохтерн    Нидерланды        1800       
8     Медвежье      Россия          1500       

     Крупнейшим месторождением газа в мире является Ямбургское месторождение Западно-Сибирского бассейна, газодобывающей компанией - РАО «Газпром» (доля в мировой добыче газа 22 %), страной экспортером голубого топлива - Россия. Добыча газа в России составляет порядка 650 млрд. м³, а нефти - более 400 млн. т. Россия одна из немногих стран мира с надежной сырьевой базой нефтегазодобывающей промышленности. Среди нефтегазоносных бассейнов России доминирует Западно-Сибирский бассейн, где имеются крупнейшие месторождения нефти и газа. Итак, нефть и газ крайне неравномерно распределены в толщах нефтесодержащих пород. Оценить этого распределение можно как по площади, так и по разрезу осадочного чехла изучаемой территории [4].
     При оценке распределения нефти и газа следует учитывать четыре основные группы факторов - критериев, контролирующих процессы генерации, миграции и аккумуляции УВ:

8

ГЛАВА1

     • современное геотектоническое строение изучаемых территорий и особенности формирования их геоструктурных элементов;
     • литолого-стратиграфическую характеристику разреза, основанную на палеогеографических, формационных и фациальных условиях формирования осадков в различных частях этих территорий;
     • гидрогеологические условия;
     • геохимические условия территорий, в том числе фазовое состояние, физико-химические свойства, состав УВ, нефтегазоматеринский потенциал пород и их концентрацию, состав содержащихся в них битумоидов и органического вещества (ОВ).

1.1. Районирование по площади и разрезу

1.1.1. Районирование по площади
     Ассоциация смежных и сходных по геологическому строению месторождений нефти и газа, залежи которых приурочены к ловушкам, составляющим единую группу, называется зоной нефтегазонакопления. Для таких зон характерны преимущественная приуроченность залежей к одним и тем же пластам, прослеживаемость в них направлений миграционных потоков, закономерное изменение положений ВНК, ГВК и ГНК, степени заполнения ловушек, фазового состояния и свойств УВ. Зоны нефтегазонакопления наряду со структурным фактором могут контролироваться различного рода литолого-стратиграфическими факторами, в зависимости от которых выделяют классы, группы и подгруппы таких зон.
     1. Нефтегазоносный район представляет собой ассоциацию зон нефтегазонакопления, характеризующихся общностью геологического строения и развития, литолого-фациальных условий и условий регионального нефтегазонакопления. Для нефтегазоносного района характерны наличие в разрезе одних и тех же горизонтов, прослеживаемость в них направлений миграционных потоков и закономерное, от зоны к зоне, изменение фазового состояния

9

ФИЗИКА ПЛАСТА

     и физико-химических свойств УВ. Нефтегазоносный район представляет собой часть более крупной единицы - нефтегазоносной области.
     2. Нефтегазоносная область - это ассоциация смежных нефтегазоносных районов в пределах крупного геоструктурного элемента более высокого уровня по сравнению с уровнем соответствующего элемента нефтегазоносного района (ступени, свода, впадины, мегавала и др.). Все нефтегазоносные районы в пределах области должны характеризоваться общностью геологического строения и историей развития, включая палеографические условия нефтегазообразования и нефтегазонакопления. Нефтегазоносная область выделяется как часть нефтегазоносной провинции либо как самостоятельная территория.
     3. Нефтегазоносная провинция представляет собой ассоциацию смежных нефтегазоносных областей в пределах одного крупнейшего геоструктурного элемента или их группы. В понятие нефтегазоносная провинция входят геологические понятия, определяющие характер наслоения горных пород - синеклиза и антиклиза.
     Синеклйза (рис. 1.1.) - обширный (до нескольких сотен километров 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 пологое поднятие слоев земной коры в пределах платформ (плит).
     Все нефтегазоносные области провинции характеризуются сходством главных черт геологического строения и развития, в том числе общностью стратиграфического диапазона нефтегазоносности, геохимических, литолого-фациальных и гидрогеологических условий.

10