Состав коллекторов пласта месторождения. Типы коллекторов нефти и газа

На тему: “Состав коллекторов  пласта месторождения. Типы коллекторов  нефти и газа ”

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

 Физика нефтяного и газового пласта решает основные задачи, которые необходимы для формирования месторождений нефти и газа, и условия залегания в глубинах земли отложениях из которых экономически выгодно извлекать углеводороды: это наличие соответствующих пород-коллекторов, изучения коллекторских и фильтрационных свойств горных пород, физических свойств пород нефтяных и газовых месторождений, в изменяющихся условиях залегания и в исследовании физических основ повышения нефте- и газоотдачи коллекторов, физических и физико-химических свойств пластовых жидкостей и газов,  насыщающих породы-коллекторы. А так же методы лабораторного анализа и аппаратуру, используемую для изучения этих свойств, зависимость свойств коллекторов и углеводородных систем от условий залегания в месторождениях и от технологии их извлечения:   фазовые состояния и превращения углеводородных систем, основы вытеснения углеводородов из пластов применительно к современным технологиям нефтегазодобычи и основы методов увеличения нефтегазоотдачи пласта на базе этих технологий.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О  КОЛЛЕКТОРЕ

Коллектор - горная порода с высокой пористостью и проницаемостью, содержащая извлекаемые количества нефти и газа.

Большинство пород-коллекторов имеют осадочное происхождение. По типам пород различают карбонатные (известняки, доломиты, мергели) и терригенные (пески, песчаники, алевролиты); по характеру пустот - гранулярные или поровые (только обломочные г.п.), трещинные (любые г.п.) и каверновые (только карбонатные породы). Емкость коллекторов определяется коэффициентом пустотности (отношение объема пустот к объему породы коллектора), который, в зависимости от типа коллектора, может достигать 24-27%. Продуктивность коллектора определяется его толщиной (иногда до 600 м), пустотностью, проницаемостью, нефтегазонасыщенностью, давлением в пласте и на забое скважины, а также вязкостью нефти или газа.

Пористость – это процент содержания пустот в породе. Кристаллические породы могут иметь менее 1% пустот, тогда как некоторые песчаники – 35–40%, а кавернозные известняки могут обладать даже еще большей пористостью.

Проницаемость – это свойство пород быть проводником при движении жидкостей или газов. Некоторые глины имеют такую же высокую пористость, как и песчаники, но они непроницаемы, так как размер их пор очень мал. Чем крупнее поры, тем выше проницаемость. Прямой связи между пористостью и проницаемостью, в общем, нет, хотя обычно породы с невысокой пористостью (10–15%) имеют также и низкую проницаемость. Если проницаемость мала, то нефть будет только слабо сочиться из породы и продуктивность окажется ниже экономически эффективной. Поэтому трудно извлекать нефть из глин, хотя обильные признаки нефти в них имеются во многих районах мира. Методы извлечения нефти из глинистых пород разрабатываются.

Пласты пород-коллекторов должны иметь определенную мощность и относительно постоянную проницаемость по латерали. Мощность, ниже которой пласт-коллектор не может разрабатываться с необходимой экономической эффективностью, зависит от многих причин, включая стоимость бурения в данном районе, глубину, пористость и объем (запасы) нефти.

Хотя обычно породами-коллекторами являются песчаники и карбонатные породы, любые породы, которые обладают необходимыми геологическими или структурными характеристиками, могут содержать нефть в промышленных количествах. Примером являются трещиноватые глины (аргиллиты), конгломераты, зоны выветривания на древних поверхностях гранитов и серпентизированные магматические образования.

Основными классификационными признаками коллектора являются условия  фильтрации и аккумуляции в них  пластовых флюидов.

По этим условиям коллекторы делятся на:

• простые (поровые и чисто трещинные);
• сложные (трещинно-поровые и порово-трещинные).

Чисто трещинные, трещинно-поровые  и порово-трещинные коллекторы часто  объединяют понятием «трещинные коллекторы», подразумевая, что фильтрация в таких  коллекторах при отсутствии в  них трещиноватости была бы затруднена или невозможна.

Каждый из перечисленных типов коллекторов связан с определенными типами горных пород и характеризуется своими особенностями стационарной, нестационарной и двухфазной фильтрации, а также приуроченностью пластового флюида к тому или иному типу пустотного пространства.

Кроме того, коллектора классифицируются по проницаемости независимо от типа фильтрующих пустот. Наиболее удобно делить коллектора на 5 классов (проницаемость, мкм²): I — более 1; II —  0,1—1; III— 0,01—0,1; IV —0,001 — 0,01; V — менее 0,001.

По рентабельности промышленной эксплуатации коллектора делят на эффективные и неэффективные.

Коллектор эффективный - коллектор, обладающий такими емкостными и фильтрационными свойствами, которые обеспечивают рентабельность промышленной эксплуатации месторождения в конкретных геолого-технических условиях.

2. ТИПЫ ПОРОД-КОЛЛЕКТОРОВ НЕФТИ, ГАЗА И ВОДЫ. ТИПЫ ЗАЛЕЖЕЙ

Коллектором называют горную породу, способную содержать в себе и  отдавать как полезное ископаемое нефть, газ и воду при современных  технологиях их извлечения на поверхность. Данное определение предполагает, что при определенных геолого-физических условиях порода может быть коллектором как вместилище флюидов, но не коллектором с точки зрения фильтрационных свойств в рамках современных технологий добычи их.

Породы-коллекторы разнообразны как по минералогическому составу, так и по геометрии пустотного пространства, а также по происхождению - генезису. Наиболее часто они представлены гранулярными   (обломочными) типами: песчаниками, песками, алевролитами. Реже  представлены карбонатными разностями (известняками, доломитами, мергелями). Если для первой группы коллекторов пустотное пространство представлено в основном порами (реже трещинами и кавернами), то вторая группа характеризуется порово-кавернозно-трещиноватой     структурой     емкости     коллектора. Трещиноватость может быть развита как в гранулярных коллекторах, так и в хемогенных и даже в породах магматического происхождения. В этих случаях собственно порода-матрица может быть низкопроницаемой, как бы вложенной в блоки, ограниченные трещинами. Нередко зоны развития трещиноватости характеризуются промышленными притоками нефти или газа (например, кора выветривания фундамента на Трехозерном нефтяном месторождении или трещиноватые граниты Игримского газового месторождения Западной Сибири).

Наличие коллектора в  разрезе осадочной толщи не является достаточным условием формирования и сохранения залежи углеводородов  в пределах нефтегазоносного региона. Для этого необходимо наличие  надежной покрышки непроницаемых пород (глин, солей, плотных карбонатных пород и т.д.). Сочетание этих двух определяющих факторов обусловлено условиями формирования толщ (фаций) в пределах нефтегазовых регионов или его частей. Непрерывные колебательные процессы приводили к трансгрессиям (наступлениям моря на сушу) или регрессиям (отступлениям береговой линии), поэтому возникали различные палеогеографические условия, обусловившие неоднородное строение осадочных пород (их слоистость, линзовидность, прерывистость и т.д.). Отсюда в разрезах продуктивных толщ выделяют шельфовые, авандельтовые, дельтовые и др. отложения. В сочетании с тектоническими факторами эти особенности обусловили различный характер ловушек-резервуаров углеводородов. Различают типы ловушек (рис. 2.1-2.4):

1) структурные-антиклинали, купола, брахиантиклинали и др. (рис.2.1)

2) литологические (литологически ограниченные, литологически экранированные) (рис. 2.2-2.4.);

3) залежи в рифогенных образованиях (рис. 2.5.).

 

Рис. 2.1. Антиклинальный тип нефтяной залежи в разрезе и плане

1 - нефтенасыщенные породы;

2 - водонасыщенные коллектора;

3 - непроницаемые породы (покрышки)

 

Рис. 2.2. Литологически  ограниченная залежь нефти связанная  с антиклинальной структурой ^f - линия замещения коллекторов;

(остальные обозначения  прежние)

 

Рис. 2.3. Литологически ограниченная заливообразная нефтяная залежь в плане (а) и разрезе (б)

  - породы фундамента;

  - кора выветривания

                                                                                                                                                                                     

Рис. 2.4. Литологически  экранированная залежь нефти, приуроченная к зоне угловых несогласий

(обозначения прежние)

Рис. 2.5. Массивная залежь нефти, приуроченная к рифогенным отложениям карбонатов (а) или к антиклинали (б)

 

В пределах контуров нефтеносности  характер контактирования нефти и пластовых вод может быть различным: выделяют водонефтяные зоны с двумя контурами или одним контуром (водоплавающие залежи - массивные независимо от структурных особенностей, как на рис. 2.5).

В Западной Сибири большая  часть нефтяных месторождений приурочена к антиклинальным структурам. Литологически  ограниченные залежи имеют подчиненное  значение ( в основном развиты в  Приуральской нефтегазоносной области).

3. КЛАСИФИКАЦИЯ КОЛЛЕКТОРОВ

Так как емкость пустот пород может изменяться в широком  диапазоне для единицы объема породы и в то же время она предопределяет масштаб запасов нефти, большое  значение приобретает классификация  коллекторов. По мнению автора наиболее удачна классификация Ф.И. Котяхова, особенность которой состоит в том, что она применима к коллекторам различного происхождения - к осадочным, изверженным и метаморфическим (табл. 3.1).

Трещиноватый тип коллекторов  известен на месторождениях США, З.Венесуэлы, Северного Кавказа, З.Приуралья; к кавернозному типу относятся миссисипские известняки в Канаде.

Каверно-трещиноватые коллектора встречены в верхнем девоне на Речицком месторождении Белоруссии, в меловых отложениях Северного  Кавказа, в нижнем кембрии Осинской, Атовской и Марковской площадей Иркутского амфитеатра.

Порово-трещиноватый и  трещиновато-поровый тип коллекторов  отмечен на отдельных участках ряда месторождений Западной Сибири (например на Талинском месторождении).

Опыт разработки месторождений  показал, что около 60% запасов нефти в мире приурочено к песчаным пластам и песчаникам, 39% - к карбонатам, около 1% - к метаморфическим и изверженным породам.

Таблица 3.1

Классификация коллекторов нефти  и газа по Ф.И. Котяхову

Фильтрационные и емкостные  свойства пород—коллекторов нефтяного и газового пласта (ФЕС) независимо от типа коллектора характеризуются рядом основных показателей:

1) пористостью;

2) проницаемостью;

3) удельной поверхностью;

4) гранулометрическим составом;

5) механическими свойствами;

6) насыщенностью пород нефтью, водой и газом.

Перечисленные свойства находятся в тесной связи с  размерами и формой зерен гранулярных  коллекторов, определяющих основные запасы аефти в месторождениях Западной Сибири. По размерам различают струк-гуры обломочных пород: псефитовую (обломки размером более 2 мм), юаммитовую (0,1 - 2 мм), алевритовую (0,01 - 0,1 мм) и пелитовую (менее 0,01 мм). Сцементированные разности этих пород (песчаники, алевролиты) характеризуются различными ФЕС в зависимости от состава и количества цемента. В качестве цементирующего материала известны глинистые вещества, карбонаты и другие компоненты.

4. ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ  СВОЙСТВА КОЛЛЕКТОРОВ НЕФТЯНОГО  И ГАЗОВОГО ПЛАСТА

4.1. ПОРИСТОСТЬ

Под пористостью горной породы понимают наличие в ней пустот различной формы и происхождения. Количественно величина пористости определяется коэффициентом пористости - отношением объема пор Vnop. к объему образца горной породы Vo6p. (в долях или процентах):

.                                                                     (4.1.1)                           

Различают общую, открытую и динамическую (эффективную) пористость, которые соответственно определяются:

,                                                                 (4.1.2)   

где V^св_пор - объем пор, связанных между собой;

      V_пор^закр - объем пор закрытых;

,                                                                           (4.1.3)

,                                                                        (4.1.4)

где V_пор^дв.ж - часть объема открытых пор с движущейся фазой

Для несцементированных пород в оценке коэффициента пористости можно использовать модель фиктивного грунта, для которого величина пористости будет согласно Слихтеру определяться характером упаковки зерен:

,                                            (4.1.5)

где q - угол упаковки (60°<q<90°). В соответствии с углом q пористость меняется от 0,259 до 0,476.

Для реальных гранулярных пород структура перового пространства зависит от многих факторов:

1) гранулометрического состава пород;

2) степени цементации;

3) степени трещиноватости пород.

Характер (степень) цементации может существенно изменить пористость породы:

На рис. 4.1.1 показаны различные  типы цемента в гранулярном коллекторе. 

                   

                 

Рис. 4.1.1. Типы цемента  в гранулярном коллекторе:

а - цемент соприкосновения; б - пленочный цемент; в - базальный  цемент.

 

Становится очевидным, что в зависимости от размеров зерен и характера цементации пористость будут предопределять размеры поровых каналов:

1) сверхкапиллярные - более 0,5 мм;

2) капиллярные - от 0,5 до 0,0002 мм;

3) субкапиллярные - менее 0,0002 мм.

По сверхкапиллярным каналам происходит свободное движение нефти, воды и газа, по капиллярным - при значительном влиянии капиллярных сил. В субкапиллярных каналах пластовые флюиды практически перемещаться не могут (это глинистые разности пород).

Следовательно, при технологически допустимых перепадах давления не во всех пустотах возможна фильтрация жидкостей и газов. Отсюда пользуются еще двумя понятиями:

1) статической полезной емкостью коллектора (П_СТ);

2) динамической полезной емкостью коллектора (П_ДИН).

Первая определяется открытой пористостью, вторая - условиями фильтрации (в конечном итоге - промывкой).

,                                        (4.1.6)

где S_ВК и S_ВН - соответственно конечная и начальная водонасы-щенности коллектора;

m₀ - коэффициент открытой пористости.

4.2 ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Проницаемость коллектора является фильтрационным параметром горной породы. Это свойство горной породы пропускать жидкости и газы и их смеси при создании перепадов  давления. Большая часть осадочных  пород обладает той или иной проницаемостью.