Физико-механические свойства горных пород пластов-коллекторов нефти и газа

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………..3

1. Коллекторские свойства трещиноватых пород…………………………………3
2. Удельная поверхность горных пород……………………………………………9
3. Физико-механические свойства горных пород………………………………..12
1. Напряженное состояние пород в условиях залегания массива…………..13
2. Напряженное состояние пород в районе горных выработок……………..15
3. Деформационные и прочностные свойства горных пород……………….17
4. Упругие изменения коллекторов в процессе разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений………………………………………20
5. Влияние давления на коллекторские свойства пород…………………….24

Заключение…………………………………………………………………...................25

Список использованной литературы…………………………………………………..26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Россия – уникальнейшая страна на планете Земля. Наши земли богаты недрами и тем, что в них хранится, дарованное нам природой. Основным источником дохода для нас, на данный момент развития, являются нефти и природные газы. Для более тщательного изучения места хранения и изучения способов добычи этих ресурсов, прежде всего, необходимо изучить свойства тех горных пород, которые и слагают данное месторождение – коллектора. В основном своем количестве они представлены осадочными породами (терригенные, глинистые, хемогенные, биохемогенные, а также смешанные породы).

Коллекторские свойства трещиноватых пород.

Вследствие совершенствования  методов исследования коллекторов  нефтяных месторождений и накопления богатого промыслового материала в  последние годы стало известно, что  во многих залежах коллекторские свойства пластов характеризуются не только обычной межзерновой пористостью, но в значительной степени также и наличием большого количества трещин. Иногда емкость коллектора и промышленные запасы нефти в нем определяются преимущественно объемом трещин. Залежи, связанные с трещиноватыми коллекторами, приурочены большей частью к плотным карбонатным породам, а в некоторых районах (Восточные Карпаты, Иркутский район и др.) и к терригенным отложениям. Пласты этих месторождений сложены плотными породами, очень часто не способными практически фильтровать сквозь себя жидкости (т. е. обладающими низкой межзерновой проницаемостью). Вместе с тем из них получают значительные притоки нефти к скважинам, что обеспечивается наличием разветвленной сети трещин, пронизывающих эти коллекторы.

Существуют различные мнения о  том, что составляет емкость трещиноватого  коллектора. По мнению некоторых исследователей, емкость трещиноватого коллектора определяется только объемом трещин, а по мнению других — она обусловливается пустотами трех видов.

1. Межзерновым поровым пространством.  Величина пористости блоков обычно  невелика (2—10%).

2. Кавернами и микрокарстовыми  пустотами. Пористость, слагаемая  пустотами этого вида, характерна  для карбонатных пород, где  она составляет значительную часть (13—15%) полезной емкости

трещинного коллектора.

3. Пространством самих трещин, составляющих  трещинную пористость. Пустоты этого  вида составляют десятые и  сотые доли процента относительно  объема трещиноватой породы. Пока  известно мало залежей, где трещинная пористость оказалась бы соизмеримой с объемом добываемой из них нефти. Чаще всего трещины, по-видимому, играют в основном роль путей фильтрации нефти и газа, связывающих воедино межзерновое пространство блоков, пустоты каверн и микрокарстов.

Исходя из основных коллекторских  свойств, обусловливающих емкость  и пути фильтрации в трещиноватых коллекторах, последние можно подразделить на следующие основные виды.

1. Коллекторы кавернозного типа. Емкость пород слагается из  полостей каверн и карстов, связанных между собой и скважинами системой микротрещин. Приурочены в основном к карбонатным породам. Фильтрация жидкостей и газов в них осуществляется по микротрещинам, соединяющим мелкие каверны.

2. Коллекторы трещиноватого типа. Емкость коллектора определяется в основном трещинами. Коллекторы такого типа приурочены к карбонатным породам, а также к плотным песчаникам, хрупким сланцам и другим плотным породам. Фильтрация нефти и газа происходит только по системам микротрещин с раскрытостью свыше 5—10 м к м . Такие виды коллекторов пока мало распространены.

3. Коллекторы смешанные, представляющие  собой сочетания и переходы  по площади и по разрезу  трещиноватого или кавернозного  коллекторов с нормальными. Коллекторы  этого вида имеют широкое распространение.

Установлено, что закономерности развития трещиноватости в горных породах  связаны с тектоникой и направлением дизъюнктивных дислокаций и трещиноватость, как правило, выражена правильными геометрическими системами трещин.

По результатам исследований Е. М. Смехова и других сеть трещин обычно состоит из двух основных систем вертикальных нарушений сплошности, обладающих двумя взаимно перпендикулярными направлениями. Иногда сетка представляется одной системой горизонтальных трещин по отношению к плоскостям напластования (тонкослоистые и сланцеватые породы) или системой трещин с различной ориентацией (глины). Значительная же часть систем трещин имеет падения, близкие к вертикальным (относительно слоистости пород).

Часто наблюдается ориентированность  трещиноватости по странам света. Простирание систем трещиноватости в общем согласуется с основным направлением крупных тектонических деформаций. В отдельных районах основные системы трещиноватости совпадают по всей толще осадочных пород независимо от их возраста.

Все это дает основание полагать, что ориентированность величины проницаемости отдельных участков продуктивных пластов относительно залежи, по-видимому, объясняется ориентированной системой трещин и зависимостью между направлениями основных систем трещиноватости и простираниями складок. Это подтверждается совпадением линий, соединяющих скважины с относительно большими дебитами, с направлением простирания основных систем трещиноватости.

Обычно строгой закономерности в распределении систем трещиноватости по элементам структур, к которым приурочены нефте- и газосодержащие залежи, не наблюдается, так как предполагается, что, кроме тектонического фактора, на распределение систем трещин на структуре влияют в некоторой степени и свойства самих пород. Вообще же наиболее трещиноваты те участки структуры, где изменяются углы падения пород — периклинали на пологих складках и своды на структурах с крутыми крыльями.

О раскрытости трещин на глубине  также существуют различные мнения. В шахтах, по сравнению с нефтяными  скважинами, имеющими незначительную глубину, иногда встречаются трещины с раскрытостью до 10 см. Большинство исследователей, однако, считают, что при значительных величинах горного давления на больших глубинах зияющие трещины не могли сохраниться. Раскрытость трещин нефтесодержащих пластов обычно составляет 10—20 м к м , и лишь иногда она возрастает до 30 м к м . В породах же, подверженных процессам растворения и перекристаллизации минералов, встречаются каверны и карсты значительных размеров.

Методика исследования коллекторских свойств трещиноватых горных пород имеет свои особенности. Их качества как коллектора характеризуются густотой и раскрытостью трещин, которые определяют трещинную пористость и проницаемость, обусловленную наличием в породе трещин.

Здесь следует подчеркнуть, что понятие ≪раскрытость≫ включает в себя некоторую условность. Существование трещин на больших глубинах в условиях проявления горного давления возможно только при наличии многочисленных контактов между стенками трещины. Площадь контактов по сравнению с поверхностью стенки мала и поэтому наличие их существенно не влияет на емкость и фильтрационные свойства трещин. На этом основании вводят понятие раскрытости трещин как преобладающей величины расстояний стенок трещин между контактами.

Подавляющее большинство трещин, по-видимому, имеет тектоническое происхождение и объединяется в ориентированные системы. Поэтому далее будем рассматривать трещиноватость, характеризующуюся системами трещин, стенки которых можно принять за плоскости.

Исследованиями Е. М. Смехова и других установлено, что интенсивность растресканности зависит от литологических свойств пород. Растресканность у карбонатных пород обычно больше, чем у аргиллитов и песчано-алевритовых пород, песчаников и солей.

Раскрытость трещин также зависит от литологического состава пород и их происхождения. Величина раскрытости трещин различных пород колеблется в пределах 14 ч- 80 мкм.

Интенсивность растресканности горной породы, рассеченной совокупностью  трещин, характеризуется объемной Т и поверхностной Р плотностью трещин, которые определяются следующими

соотношениями:

,          (1.1)

где S — площадь половины поверхности всех стенок трещин, секущих объем V породы;

I — суммарная длина следов всех трещин, выходящих на поверхность площадью F.

В качестве меры растресканности породы одной системой трещин служит густота трещин Г, представляющая собой отношение количества трещин Δn, секущих нормаль их плоскостей, к элементу длины ΔL этой нормали:

.         (1.2)

Для однородной трещиноватости, т. е. когда трещины находятся на равном расстоянии друг от друга, густота трещин

.          (1.3)

где L — расстояние между трещинами в системе.

Наиболее представительной величиной является объемная плотность Т — с ее помощью можно охарактеризовать трещиноватость с любой геометрией. Очевидно, поверхностная плотность Р зависит от ориентации площадки измерения (рис. 1.1,2) относительно направления трещин (рис. 1.1, 1), а густота Г их характеризует только выделенную систему трещин.

Плотность трещиноватости пород может изменяться в широких пределах. Объемная плотность трещин девонских отложений Южно-Минусинской впадины (по наблюдениям в обнажениях на дневной поверхности), например, изменяется в пределах 1/м.

Между Т, Р и Г существует следующая связь:

; ;     (1.4)

Где N — число систем трещин;

α — угол между перпендикуляром к плоскости i-й системы трещин и площадкой, на которой измеряется величина Р (см. рис. 1.1).

Трещинная пористость для одной системы трещин

         (1.5)

Где — раскрытость трещин.

Для системы трещин имеем

.     

При b_i = const = b

.         (1.6)

Зависимость проницаемости  пород от трещинной пористости и величины раскрытия трещин можно получить при помощи уравнения Буссинеска, согласно которому расход жидкости, приходящийся на единицу протяженности щели,

,         (1.7)

где b — раскрытие трещины;

μ— динамическая вязкость жидкости;

— градиент давления.

Следовательно, расход жидкости через площадь фильтрации породы

.         (1.8)

Приняв действительным равенство  , получим

.         (1.9)

По закону Дарси расход жидкости через эту же породу

.         (1.10)

Здесь k_T— проницаемость трещин.

Приравнивая правые части  уравнений (1.9) и (1.10), получим

,        (1.11)

где b — раскрытие трещины в мм;

k_T — проницаемость в мкм²;

m_T — трещинная пористость в долях единицы.

Формула (1.76) действительна для случая, когда трещины перпендикулярны поверхности фильтрации. В действительности трещины могут располагаться произвольно и поэтому проницаемость трещиноватой породы зависит от простирания их систем и направления фильтрации. Поэтому ориентированность трещин является важным параметром. Она определяется известными методами фиксации положения плоскости в пространстве — по азимуту падения δ и углу падения ω или же по направляющим косинусов единичного вектора нормали к плоскости трещины (cosα₁, cosα₂, cosα₃, где α₁, α₂ и α₃ – углы между единичным вектором и осями координат – см. рис. 1.2

В общем случае, если трещины  располагаются произвольно, а проницаемость рассчитывается для любого горизонтального направления фильтрации, то формула для расчета проницаемости имеет вид

,   

где b и Г — раскрытость и густота трещин соответственно в см

и 1/см;

ω_i— угол падения трещин данной системы;

φ_i — угол между задаваемым направлением фильтрации и простиранием данной системы трещин.

Параметры трещиноватости находят также по керновому материалу и по шлифам. При микроскопическом исследовании шлифа определяется раскрытие трещин, их протяженность и площадь шлифа. Параметры трещиноватых пород подсчитываютcя по формулам

;         (1.12)