книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

гидрофобной. П оверхность больш инства м инералов гидроф ильна, но при адсорбции на ней активны х асф альтосм олисты х компонентов не­ фти поверхность м ож ет стать гидрофобной.

Капиллярные эф ф екты — это поверхностны е явления в пористы х средах, возникающ ие вследствие наличия преимущ ественной смачи­ ваемости поверхности поровых каналов. Если капилляр привести в кон­ такт со смачивающей его поверхность жидкостью , то, стрем ясь сокра­ тить избыточную поверхностную энергию, ж идкость начнет самопро­ извольно двигаться по капилляру. В вертикальном капилляре ж идкость будет подниматься до тех пор, пока поверхностны е силы не будут урав ­ новешены весом столба hKж идкости. К апиллярное поднятие связано с диаметром d капилляра следую щ им соотношением:

_ 4 а cos в

(2.39)

pgd

Если жидкость является несмачиваю щ ей по отношению к поверх­ ности капилляра, то происходит капиллярное опускание на высоту, опре­ деляемую формулой (2.39). Например, вода в стеклянном капилляре под­ нимется на высоту (ЗО/d ) мм, а ртуть опустится на величину (10,2/d) мм. Величина

определяет собою капиллярное давление, которое направлено в сторо­ ну несмачивающей ф азы . В зависим ости от характера смачиваемости горной породы флю идами капиллярное давление м ож ет способствовать вытеснению нефти из пласта или ж е препятствовать этому.

Под действием капиллярного давления смачиваю щ ая ф аза мож ет впитываться в пористую среду, вы тесняя из нее несмачивающ ую ф азу . Смачивающая и несмачиваю щ ая ф азы самопроизвольно перераспре­ деляются в пористой среде таким образом, что смачиваю щ ая ф аза за ­ нимает мелкие поры, а несм ачиваю щ ая — крупны е поры.

В гидрофобной породе вода как несм ачиваю щ ая ф аза д ви ж ется по наиболее ш ироким порам, а н еф ть — см ачиваю щ ая ф аза, покры вает поверхность зерен скелета и остается в суж ен и ях поровы х каналов (рис. 2.38, а). К апиллярное давление, направленное в сторону несмачи­ вающей ф азы (в данном случае — в сторону воды), препятствует про­ никновению воды в мелкие поры, зан яты е нефтью .

В гидрофильной породе вода под действием капиллярного д авл е ­ ния вытесняет неф ть из узки х пор в крупны е поры. В этих порах вы -

тесненная н еф ть остается в виде отдельны х капель, окруж енны х вод­ ной ф азой (рис. 2.38, б). О бщ ее количество остаточной неф ти в гидро­ ф и льн ы х коллекторах намного м еньш е по сравнению с гидрофобны ­ ми коллекторам и.

Нефть Нефть Нефть Нефть

Рис. 2.38. Особенности вытеснения нефти водой из пласта: а — гидрофобный пласт; б — гидрофильный пласт

Собирание (концентрирование) растворенны х в ж идкости веществ таъ щоъср'яжус™ ръздезга адсорбцией. т а к же как и адгезий, относится к поверхностным явлениям . Н еф ть в том или ином количестве содерж ит природны е поверхностно-активны е веще­ ства (ПАВ) —- асф альтосм олисты е вещ ества, неф тяны е кислоты и др. Эти компоненты неф ти способны адсорбироваться на поверхности зе­ рен скелета горной породы и явл яться причиной гидрофобного харак­ тера смачиваемости. Д ля повы ш ения неф теотдачи пласта в пласт зака­ чиваю т воду, содерж ащ ую синтетические ПАВ. Эти вещ ества улучш а­ ют смачиваемость породы водой, уменьш аю т действие поверхностных и капиллярны х сил, препятствую щ их полному вы теснению неф ти из порового пространства продуктивного пласта.

Поиск и разведка углеводородов — это совокупность работ по откры тию м есторож дений и оценке пригодности их для промыш лен­ ной разработки. Основными задачам и разведки являю тся:

• определение границ месторож дения и подсчет содерж ащ ихся в нем запасов углеводородов;

• установление качественной характери стики неф ти и газа данного м есторож дения;

•выявление природных ф акторов, определяю щ их условия эксплу­ атации месторождения.

По степени достоверности запасы углеводородов подразделяю тся на четыре категории:

• категория А — детально разведанны е запасы с точно определен ­ ными границами и строением зал еж ей , а такж е геологическими факторами, определяю щ ими условия добычи углеводородов;

• категория В — предварительно разведанны е запасы с примерно определенными контурами залеж ей;

• категория С ] — разведанны е запасы месторож дений сложного гео­ логического строения, а такж е слабо разведанны е запасы на но­ вых площ адях или на площ адях, прилегаю щ их к детально р азве ­ данным участкам; подсчитываю тся экстраполяцией геологических данных детально разведанны х участков;

•категория С., — перспективны е запасы , вы явленны е за пределами разведанных м есторож дений на основании данных с учетом ана­ логии со сходными подробно разведанны м и участками.

Существуют такж е ресурсы прогнозных категорий, вы явленны е в процессе поисковых и съемочны х работ. Прогнозные ресурсы обеспе­ чивают получение прироста запасов категорий С2 и С у

М есторождения углеводородов могут быть введены в эксплуатацию при условии, если они обладаю т определенны м соотношением запасов различных категорий. Выделение капитальны х вложений на разработку месторождений допускается при наличии запасов категории С г

Накопителем и производителем и неф ти и газа является осадочная оболочка Земли, в которой неф ть и газ в м алы х количествах присут­ ствуют повсеместно. На Зем ле обнаруж ено около 600 бассейнов с оса­ дочными породами. До 90 % запасов неф ти залегаю т на глубине до 3 км. Наиболее крупные м есторож дения углеводородов приурочены к неф ­ тегазоносным бассейнам П ерсидского и М ексиканского заливов, С евер­ ного и Каспийского морей, Западной Сибири. Общее количество откры ­ тых месторождений и зм еряется десяткам и тысяч.

Из тех бассейнов, которые изучены , только 40 % продуктивны. О с­ тальные 60 % бассейнов непродуктивны: в них либо отсутствует м ате­ ринская порода, либо порода не была погруж ена достаточно глубоко для образования нефти и газа, либо бассейн осадочных пород был когда-то перегрет, и неф ть успела разлож иться.

Задача геологоразведчика — найти новые газовы е или неф тяны е месторождения, геолога-неф тяника — исследовать и разработать най­ денное месторождение углеводородов.

Вначале разведочны е скваж ины бурили произвольно или приуро­ чивали их к неф тяны м выходам. В каж дом нефтеносном бассейне на­ блю даю тся выходы неф ти на поверхность. Это связано с тем, что не вся неф ть попадает в ловуш ки. Ч асть ловуш ек м ож ет пропускать неф ть на поверхность, часть ловуш ек м ож ет переполниться неф тью , которая будет п еретекать сбоку через край ловушки. Поэтому искать неф ть на вы ходах не сложно.

П озж е геологи поняли, что н еф ть накапливается в возвышенных ч астях коллекторов — ан тиклиналях и куполах. После этого геологи стали картировать обнаж ения подземны х пластов на земной поверхно­ сти, чтобы обнаруж ить подземны е ловуш ки.

П роведение геологической съем ки предш ествует всем остальным видам поисковых работ. В ходе полевы х работ геологи изучаю т пласты горных пород, вы ходящ ие на дневную поверхность, их состав и ориен­ тацию. Д ля анализа пород, укры ты х современными наносами, роются ш урф ы . Итогом обработки собранных м атериалов явл яется геологичес­ кая карта — проекция выходов горных пород на дневную поверхность. А нтиклиналь на геологической карте им еет вид овального пятна, в цен­ тре которого располагаю тся более древние породы, а на периф ерии — более молодые (рис. 2.39).

Рис, 2.39* Поверхность антиклинали, подверженной эрозии

С ущ ествую т три основных геологических ф актора, определяющие перспективность территории на наличие углеводородов. Во-первых, необходимо сущ ествование материнской породы для образования не­ фти. В о-вторы х, требуется наличие породы -коллектора для накопле­ ния нефти. В -третьих, необходимо сущ ествование ловуш ки.

Геолого-разведочны е работы на неф ть и газ вклю чаю т два этапа:

• поисковый этап, конечной целью которого явл яется откры тие за­ леж ей неф ти и газа и предварительная их оценка;

• разведочный или заверш аю щ ий этап, цель которого подготовка месторождения к разработке.

На первой стадии поисков изучаю тся общ ие черты глубинного гео­ логического строения чехла осадочных пород и кристаллического ф ун ­ дамента, оцениваются перспективы нефтегазоносности с вы делением возможных зон неф тегазонакопления. На этой стадии проводится об­ щая геологическая съем ка крупны х территорий, прим еняется опорное и параметрическое бурение.

На второй стадии поисков вы являю тся благоприятные структуры (площади) для скопления неф ти и газа. На этой стадии проводится д е ­ тальное геологическое картирование с применением горных работ. Г лу­ бина скважин не превы ш ает 300 м. Д ля составления структурны х карт закладываются структурны е скваж ины глубиной до 1000 м и более. По результатам поискового глубокого бурения вы полняется подсчет зап а ­ сов по категориям С<(и С г

Во время опробования н еф тяны х и особенно газовых скваж ин необ­ ходимо точно установить начальное пластовое давление, так как зап а ­ сы газа определяю т по пластовому давлению , а парам етры пластовой нефти зависят от изм енения пластового давления в процессе эксплуа­ тации месторождения. П ри отборе глубинных проб неф ть долж на быть отобрана с сохранением в ней растворенного газа при давлении, близ­ ком х пластовому. В процессе буренпя помеховых скважмн долж но быть взято как можно больш е керна из продуктивны х горизонтов для и зуч е­ ния их коллекторских свойств в лаборатории.

Основными задачами разведочны х работ — разведочного бурения — являются уточнение геологического строения залеж и, определение ее размеров и получение данны х о п арам етрах коллекторов и содерж а­ щихся в них флюидов. На этой стадии проводится опытная эксплуата­ ция, в ходе которой по р езу л ьтатам геологических, геоф изических и гидродинамических исследований определяю т все параметры , необхо­ димые для подсчета запасов вы соких категорий C v В и А. В процессе пробной эксплуатации отдельны х скваж ин определяю т дебиты неф ти и газа при различны х условиях отбора и устанавливаю т темпы сн иж е­ ния пластового давления.

Исследованием земны х недр с поверхности Зем ли занимаю тся гео­ физики, которые использую т гравитационный, магнитный и сейсмичес­ кий методы.

Гравиразведка основана на зависимости силы тяж ести от плотности горных пород. Породы, насы щ енны е неф тью и газом, имеют меньш ую плотность, чем те ж е породы, содерж ащ ие воду. Л егкие породы соля-

Так как газ характер и зу ется низкой скоростью прохож дения звука, то наименьшую скорость из известны х осадочных пород имеет несце­ ментированный газоносный песок. Если ж е он покры т другой породой, то вследствие различия в акустическом сопротивлении коэф ф ициент отражения будет больш им, и на сейсмограмме образуется так н азы ва­ емое яркое п я т н о , которое вы глядит как сильно отраж аю щ ая поверх­ ность. Анализ ярких пятен успеш но прим еняется для локализации га­ зовых коллекторов и газовы х ш апок неф тяны х месторождений.

В последнее врем я разработан и используется метод трехм ерной сейсморазведки, позволяю щ ий получать трехм ерны е картины земны х недр. На суше трехм ерную разведку проводят с помощью полосового взрыва, когда кабели приемников проклады ваю т по параллельны м л и ­ ниям, а пункты взры ва располагаю т по линиям, перпендикулярны м им. После компьютерной обработки получаю т трехм ерное изображ ение недр. Трехмерную сейсмограмму на экране компьютера можно вращ ать и рассматривать с разны х сторон. Т рехм ерная сейсморазведка сн иж а­ ет затраты на бурение, ум еньш ая число сухих скваж ин, так как точно указывает положение коллектора.

Существуют такж е гидрохимические м е т о д ы , основанные на и зу ­ чении химического состава подземны х вод и содерж ания в них раство­ ренных газов и органических вещ еств. По м ере приближ ения к зал еж и концентрация этих компонентов в водах возрастает. Однако единствен­ ный способ достоверно вы яснить содерж и тся ли в ловуш ке пром ы ш ­ ленное количество газа или неф ти — это пробурить скважину. В сред ­ нем только каж ды й третий разбуренны й объект оказы вается м есторож ­ дением.

Бурение скважин применяю т с целью оконтуривания залеж ей, а так ­ же определения глубины залегания и мощности нефтегазоносных плас­ тов. В процессе бурения отбирают керн — цилиндрические образцы по­ род. Анализ керна позволяет определить нефтегазоносность пласта.

После заверш ения бурения скваж ина исследуется геофизическими м етодам и . Н аиболее распространенны й и з них — электрокаротаж : определение электрических свойств вскры ты х скважиной пород. Н а­ личие проницаемых пластов с высоким электросопротивлением свиде­ тельствует о наличии в них нефти. П рим еняю т и другие методы каро ­ тажа: акустический, радиом етрический, терм ометрический и др, Гео­ логическое изучение зал еж ей неф ти и газа продолж ается в течение всего периода их разработки.

четвертой группы периодической системы М енделеева. При движении слева направо по периодам происходит ослабление восстановительных и нарастание окислительны х свойств элементов. На атом углерода приходится баланс этих свойств. Он явл яется четверты м по распростра­ ненности во Вселенной после водорода, гелия и кислорода и десяты м — в земной коре. Углерод присутствует в разнообразны х ф ормах, соеди­ няется с водородом, серой, азотом, кислородом и металлами.

Углерод — плохой окислитель и плохой восстановитель. П ри ком­ натной тем пературе он не взаим одействует с активны м и металлами, водородом и кислородом. Его окислительно-восстановительны е свойства проявляю тся только при высокой темпера­

ется (АН = 405 кД ж /м оль). В возбуж денном состоянии происходит воз­ буж дение одного 25-электрона с его переходом на 2р„-орбиталь. В про­ цессе возб уж д ен и я атом а происходит и зм ен ен ие электронной кон-

фигурации валентной оболочки: 2s22p2 —> 2s12p:i. П ри этом об разуется атом с четырьмя неспаренны м и электронам и, которы е образую т че­ тыре ковалентные связи.

Уникальной чертой атомов углерода явл яется их способность свя ­ зываться друг с другом, образуя длинны е углеродны е цепи и кольца. При этом связь м еж ду атомами м ож ет быть как вида С— С, так и вида С =С . Благодаря этой способности число известны х соединений, содер­ жащих углерод, составляет более 14 млн. У глерод способен образовы ­ вать прочные ковалентны е связи, соответствую щ ие наиболее стабиль­ ному состоянию вещ ества. Самые распространенны е на Зем ле соеди­ нения углерода: С 0 2 — наиболее окисленная ф орм а углерода; СН4 — наиболее восстановленная форма.

Из трех природных изотопов углерода 12С, !3С и радиоактивного 14С в соединениях п р ео б л ад ает '-С. К л а р к последнего изотопа 98,89 %. Наличие этих изотопов я в л я е т с я причиной того, что атом н ая м асса углерода явл яется дробны м числом — 12,011. И зотопны й состав уг­ лерода индивидуальны х соединений о п р е д ел я е тс я их генезисом и составом исходны х вещ еств. Н ап ри м ер, углеводороды н еф ти со д ер ­ жат больше легких изотоп ов угл ер о д а, а и зв естн я к и обогащ ены т я ­ желыми изотопами.

В целом органический углерод осадочны х толщ содерж ит изотопа 13С меньше, чем углерод карбонатов. Это обусловлено процессам и ф о ­ тосинтеза, при которы х происходит очень ш ирокое ф ракц и он ирова­ ние изотопов. Д еф ицит |:<С сл у ж и т показателем биогенного генезиса углерода.

Углерод способен образовы вать различны е аллотропные соедине­ ния. Установлено четы ре аллотропны х соединения углерода, р азл и ч ­ ных по структуре: алм аз, граф ит, карбин и ф уллерен . В алм азе атомы углерода равномерно располож ены в пространстве и связаны ковален ­ тными связями. Г раф ит им еет плоскостное располож ение атомов угле­ рода, составляющих правильны е ш естиугольники. К арбин — линейный полимер, представляю щ ий цепочку чередую щ ихся атомов углерода с одинарными, двойными или тройны ми связям и. Ф уллерены С(.() и С 70 представляют собой полые сф ерические и сф ероидны е образования. Поверхность ф уллеренов сш ита из структурны х элементов, подобных графитовым.

Общая картина распределения углерода в земной коре представле­ на в табл. 3.1.

В атм осф ере находится 2450 • 10!1т углекислого газа, что соответству­ ет 668 • 10® т углерода. В океане углерод присутствует в двух главных ф ормах: в составе органического вещ ества и в составе гидрокарбонатиона. В М ировом океане содерж ится примерно 2100 м лрд т углерода органического С и 38 600 м лрд т углерода к ар б р н атн о го С к. Следует подчеркнуть, что те и другие ф орм ы углерода биогенны. Связующ им звеном м еж ду карбонатами и органическими соединениями служ ит СО.,.

О сновная масса С представлена рассеянны м органическим вещ е­ ством. К онцентрированны е скопления С г в виде зал еж ей неф ти и уг­ лей имеют подчиненное значение: в обнаруженных месторождениях не­ ф ти находится 200 млрд т углерода; в месторождениях каменного угля — 6000 млрд т углерода. В сумме это на три порядка меньш е массы угле­ рода, рассеянного в осадочной оболочке органического вещ ества.

К арбонатообразование и ф отосинтез органического вещ ества (ОВ) имею т общую направленность на удаление из атм осф еры углекислого газа, непреры вно поступаю щ его из мантии. Эти процессы являю тся ча­ стью глобального механизма поддерж ания невысокой концентрации СО., в атм осф ере Зем ли, что важ но в связи с недопущ ением возникновения на планете парникового эф ф екта.

М асса растений М ировой суш и составляет 1880 • 10® т. С редняя кон­ ц ентрация углерода в сухом вещ естве растительности равна 46 %. сле­ довательно, масса углерода в растениях суш и составляет 865 млрд т.

В биомассе океанских продуцентов-ф отосинтетиков сосредоточено 1,7 • 10® т Сцрг, в океанских организмах-консументах связано 2,3 • 10® т С , О кеан действует как грандиозны й насос, заб и рая СО., из атм осф еры в холодны х областях земного ш ара и отдавая его в тропических облас­ тях. На протяж ени и года ж ивое вещ ество суш и и океана поглощает 440 млрд т СО, или 120 м лрд т С , больш ая часть которого вновь воз­ вращ ается в океан и в атм осф еру.