книги / Физические свойства коллекторов нефти при высоких давлениях и температурах
..pdfА К А Д Е М И Я Н А У К С С С Р
ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И РАЗРАБОТКИ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛЕКТОРОВ НЕФТИ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А »
МОСКВА 1979
Физические свойства коллекторов нефти при высоких давлениях н температурах. М.: Наука, 1979. 1-168
В сборнике представлены новые результаты исследова ния деформационных, прочностных, коллекторских, упру гих и электрических свойств осадочных пород, а также газожидкостного равновесия в смесях углеводородов при высоких равномерных и неравномерных напряжениях и повышенных температурах. Рассмотрены некоторые изме нения структурных и литологических характеристик пород при их деформировании. Показана возможность использо вания. лабораторных данных для задач нефтяной геологии.
Книга рассчитана на широкий круг исследователей, за нимающихся вопросами геологии и разработки нефти и газа.
Ответственный редактор
профессор М.П. ВОЛАРОВИЧ
30802-099 |
409-79. 2504 030300 |
© Издательство "Наука” , |
Ф ---------------- |
1979 г. |
|
055(02) -79 |
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время все шире ведутся поиски и разработка неф ти и газа на больших глубинах. Состояние и свойства, горных по род, в том числе коллекторов нефти и газа, на больших глубинах отличаются от свойств на дневной поверхности. Более правильное представление о них могут дать эксперименты при высоких давле ниях и температурах.
Изучение физических свойств горных пород при высоких значе ниях термодинамических параметров проводится в ИФЗ АН СССР,
ИГ АН УССР, МИНХи^П, ВНИИГеофизика. В ИГиРГИ такие работы были начаты под руководством Н.Н. Павловой.
Имеются большие достижения в исследовании закономерностей изменения физических характеристик .горных пород как при во з действии одних высоких давлений, так и при одновременном влия нии высоких давлений и температур. В последние годы основные результаты в этой области обобщены в монографиях и справоч никах.
Однако непосредственно вопросам, связанным с нефтяной гео логией, посвящены лишь немногие работы. Важные задачи прак тического использования лабораторных данных еще не решены, хо тя некоторые попытки их решения делаются. Настоящий сборник и является такой попыткой.
Сборник состоит из двух разделов. Раздел I включает работы, посвященные исследованию влияния высоких равномерных и нерав номерных давлений на деформационные, упругие, электрические и коллекторские свойства осадочных пород - коллекторов и покры шек. В нескольких статьях рассматривается влияние аномально высокого порового давления на сжимаемость, электропроводность и проницаемость коллекторов.
Почти в каждой статье делаются попытки решения геологичес ких задач на основании экспериментальных данных или проводится сопоставление лабораторных результатов с полевыми геофизичес кими наблюдениями.
Наряду с изучением свойств горных пород важное значение име ют исследования содержащихся в них флюидов, особенно углево дородов. Поэтому в этом же разделе помещена статья об изучении газожидкостного равновесия в смесях углеводородов при пластовых температурах и давлениях. Подобные исследования дают возмож ность рассчитать фазовое состояние пластовых флюидов на боль ших глубинах и могут быть использованы для вопросов миграции углеводородов.
Раздел II начинается со статьи Н.Н. Павловой и Р.А. Коны шевой. Это последняя статья, написанная Н.Н. Павловой. Она от
ражает новое направление работ, которое сейчас широко развива ется. В статьях этого раздела на основе экспериментальных дан ных особенности изменения деформационных и других физических свойств горных пород связываются с изменением их петроструктурных, литологических характеристик.
В подготовке рукописи к печати большую помощь оказали Т. В. Со колова, Л.С. Алексеева и Г.*А. Федорова.
Большая часть помещенных в сборнике статей написана на ос новании исследований, выполненных под руководством и при учас тии Н.Н. Павловой или в плане дальнейшего развития ее идей. Ав торы с глубокой благодарностью вспоминают о совместной работе с Ниной Николаевной Павловой.
Более 1 0 лет Н.Н. Павлова руководила сектором эксперимен тальной геомеханики ИГиРГИ. Установки высокого давления, скон струированные Н.Н. Павловой с сотрудниками, позволяют повышать
всестороннее давление до 5 кбар, а |
температуру до 3 5 0 °С и, кро |
ме того, создавать одноосное до 1 5 |
кбар и внутрипоровое давле |
ния. В этих установках до настоящего времени проводятся экспе рименты, результаты которых расширяют представления о процес сах, происходящих на больших глубинах.
Под руководством Н.Н. Павловой разработаны методы опреде ления деформационных и прочностных характеристик горных пород в условиях равномерных и неравномерных давлений, а также методы изучения коллекторских свойств осадочных пород и изолирующих свойств покрышек при давлениях и температурах, соответствующих пластовым.
Память о научной одаренности и замечательных личных качест вах Н.Н. Павловой будет жить в сердцах тех, кому выпало счастье с ней сотрудничать.
I. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛЕКТОРОВ ПОКРЫШЕК И СМЕСЕЙ УГЛЕВОДОРОДОВ
ИЗОЛИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ,
ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
Г. Е. Кузьменкова, А. А. Фомин
Изолирующие возможности глинистых пород, играющие роль эк рана для флюидов и газа, тесно связаны с их деформационным сос тоянием в условиях залегания, т.е. деформационными и прочност ными свойствами при объемных напряженных состояниях и темпе ратурах.
Физико-механические свойства глинистых пород разного состава, строения и постседиментационного уплотнения существенно раз личны, что подтверждают результаты испытаний большого числа гли нистых пород-покрышек методом вдавливания, позволившие диффе ренцировать породы по деформационно-прочностным свойствам.
В ИГиРГИ под руководством Н.Н. Павловой были изучены свой ства свыше 1 0 0 0 образцов глинистых пород-покрышек разного воз
раста, |
состава |
и строения, залегающих в диапазоне глубин от 0 ,8 |
до 5 ,5 |
км из |
нефтедобывающих районов Волго-Урала, Западной Cte- |
бири, Средней Азии, Предкавказья, Днепровско-Донецкой впадины. Эти исследования подтвердили общие физические соображения и от*» дельные экспериментальные рёзультаты [1 ,2 ], свидетельствующие о возрастании интенсивности трещинообразования в породах с рос
том упругих и прочностных характеристик |
(модуля упругости при |
|
вдавливании Ет, пределов, текучести P Q |
и твердости рщ) и умень |
|
шении ее с ростом пластичности (оцениваемой при вдавливании |
ко |
|
эффициентом К.* равным отношению общей работы деформаций |
к |
работе упругих деформаций).
Проведенные исследования позволили также установить, что тре щиноватость глинистых пород, оцененная в шлифах методом ВНИГРИ [ 3 ] , возрастает по мере усложнения состава глинистых пород, в частности увеличения содержания примесей, с чем связан рост уп ругих и прочностных параметров (рт, рQ ) и снижение способнос ти к пластической деформации К,
На основании данных по механическим свойствам были выделе
ны группы (I-III) низкой, средней и повышенной способности к трешинообразованию, обратной изолирующим возможностям этих по-
род. Так, чистые глины разного состава без или с малым содер^ жанием неглинистых примесей прежде всего отличают высокие зна чения коэффициентов пластичности (3 - 3 *5 < К < « ), низкие величи ны модуля упругости ( Ет » 0 Д *1 0 5 - 0 ,Ф Ю 5 кгс/см 2 )и преде
ла текучести |
у сухих образцов (PQ< 1 5 - 2 0 кгс/м м 2 ) и у водона |
|
сыщенных (P Q < 10). Для глин этой группы подтверждены низкие зна |
||
чения трещиноватости (объемная плотность открытых трещин |
по |
|
шлифу ТШ4 Ю |
1 /м ). Таким образом* высокая пластичность, |
малые |
прочность и трещиноватость - это свойства, позволяющие характе ризовать высокие качества глин как экранов.
Группу II уплотненных глин или глинистых пород с более высо ким содержанием примесей должны отличать худшие изолирующие свойства. Глинистые породы этой группы имеют более высокие проч ностные и упругие характеристики у сухих пород (1 0 - 1 5 ) < P Q <
< |
4 0 кгс/м м 2 |
и пониженную пластичность 2 |
,0 4 К < 3 ,5 . |
|
Группу III |
глинистых пород (алевролиты |
глинистые, аргиллиты |
с |
высоким содержанием примесей неглинистых минералов) харак |
теризует высокая способность к трещинообразованию ( Тш > 2 5 - 3 0 и до сотен единиц на метр). По механическим свойствам это наи
более прочные |
из |
глинистых пород: PQ ^ 2 0 |
и до 1 2 5 кгс/м м 2 , £ ш - |
|
« (0 ,8 - 1 ,3 )» 1 |
0 5 |
кгс/см 2, |
имеющие низкие |
показатели пластич |
ности {К 4 1 ,8 - 2 ,0 ) . |
|
|
||
Существенное улучшение изолирующих свойств глинистых пород |
||||
наблюдается под действием |
сорбированного ими органического ве |
щества. Проведенные эксперименты на монтмориллонитовой глине - огланлинском бентоните показали, что прочность образцов из этой
глины, насыщенных 40%-ным раствором |
глюкозы (^ 6 ^ 1 2 ^ 6 )» |
|||
возросла по сравнению с |
прочностью образцов |
без |
органичес |
|
кого вещества. Пластические же свойства остались неизмен |
||||
ными, что привело к улучшению экранирующих |
возможностей |
|||
этой глины. |
|
|
|
|
Анализ особенностей срстава, строения и условий залегания гли |
||||
нистых пород-покрышек в сочетании с показателями их |
деформа |
|||
ционно-прочностных свойств |
позволил дать |
сравнительную оценку |
изолирующих свойств покрывающих горизонтов нефтяных и газовых залежей в разных, регионах. В связи с этим было проведено экс периментальное изучение деформационного поведения и прочностных свойств глинистых пород при термодинамических параметрах, ти пичных для глубин залегания. Исследование проводилось на образ цах различного состава и строения, отобранных с разных, глав ным образом больших, глубин. Из пород, отнесенных по деформа ционно-прочностным свойствам при вдавливании к первой группе (по крышки с высокими изолирующими свойствами), испытывали огланлинекий бентонит. Из покрышек средней изолирующей способнос ти - глинистые породы из разрезов месторождёний Волгоградской и Куйбышевской областей и Днепровско-Донецкой впадины. Третья группа была представлена аргиллитами и глинистыми алевролитами
из глубинных покрывающих горизонтов Днепровско-Донецкой впа дины, Предкавказья и Ферганы.
Результаты испытаний глинистых пород в условиях всесторон него равномерного сжатия при напряжениях и температурах, ти пичных для глубин залегания (стэф^ > U °С), представлены в табл, 1 ,
вусловиях неравномерного объемного сжатия - в табл, 2, Принятые в табл. 1 обозначения: азфц - эффективное напря
жение на |
глубине |
залегания, аэфц = Я(уп “ Уж) • где # - глубина за |
|||||||
легания; у{1 |
и уж |
— объемные веса породы и насыщающих породы |
|||||||
флюидов; Ри - |
поровое давление; Р |
и Ри - коэффициенты сжимае |
|||||||
мости пород и пор; К |
и К„ |
- коэффициенты пористости по- |
|||||||
|
|
|
патм |
п<7эф |
|
|
<7эф в |
|
|
род в атмосферных условиях и при напряжениях |
|
||||||||
В табл, 2 |
кроме обозначений, аналогичных принятым в табл. 1, |
||||||||
введены показатели прочности о-с |
и предела текучести o-s, а |
так |
|||||||
же относительных продольной |
|
= Д1/1, где I |
- длина изме |
|
|||||
ряемой части |
образца; |
Al - |
ее приращение; и радиальной |
*3 - |
|||||
s Дd/d (где d - диаметр образца; |
Ad - |
приращение) деформаций, |
|||||||
прироста |
объема образца + £г/ |
= |
2(п ~ е\ и коэффициента интен- |
||||||
сивности |
разуплотнения |
Ку. |
= |
& |
(где б, |
~ величина ос- |
|||
Д |П |
|||||||||
|
|
|
|
1С |
|
1 |
|
|
|
таточной продольной деформации до разрушения). |
|
||||||||
Данные табл. 1 |
дают представления об упругих изменениях де |
||||||||
формационных |
р, рп и емкостных Кп свойств пород под действием |
||||||||
эффективного |
напряжения на глубине залегания. |
|
|
Анализ табл. 1 показывает, что в данных условиях глинистым породам свойственно в основном высокое значение коэффициента ежи* маемости и значительное уменьшение коэффициента пористости.
Следует, однако, отметить, что у испытанных пород I —I 11 групп четкого различия в изменении этих свойств с глубиной не просле живается.
Были исследованы также при высоком уровне напряжений равно мерного объемного сжатия необратимые деформации чистой глиныогланлинского бентонита. Оказалось, что в этих условиях объем пор бентонита уменьшается за счет необратимых деформаций приблизи тельно на 6%,
|
При |
анализе микрофотографий |
исходного и деформированного |
(а |
= |
2 0 0 0 кгс/см 2 , t = 2 0 °С ) |
образцов, полученных на скани-, |
рующем электронном микроскопе, были выявлены следующие особен ности механизма остаточной деформации бентонита; исчезновение тон кой скульптуры, уплощение исходного объема частиц, большая упоря доченность первичной беспорядочной структуры, обособление мик роблоков. Эта деформация бентонита подобна той, которую испы тывают глины в условиях седиментогенёза и диагенеза.
Известно, что первичные текстуры глин создаются в седиментогенезе. Затем в диагенезе происходит изменение взаимной ори ентации кристаллов глинистых минералов относительно друг друга и относительно неглинистой составляющей пород.
Сжимаемость |
пород (£ ), порового пространства |
(£ п) |
и по |
||
всестороннего сжатия |
|
|
|
||
Группа |
Номер |
|
кп |
> |
" ЭФЯ ' |
пород |
образца |
Порода |
0/"атм |
кгс/см2 |
|
|
|
|
0 |
|
|
Г |
- |
Глина монтмориллонит |
2 9 ,9 |
|
- |
|
|
товая (бентонит оглан— |
|
|
|
|
|
линский) |
|
|
|
п |
6 5 -1 |
Глина слабоалеври- |
|
7 4 - 4 |
тистая |
|
Глина алевритистая |
|
|
2 а /4 3 |
Аргиллит кремнисто- |
|
ддв |
хлористо-гидрослюдистый |
шЗК р /7 4 Аргиллит трещиноватый
7 К р /7 3 Глина аргиллитоподоб ная
8 К р /7 3 |
Аргиллит известковистый |
0 2 9 7 1 Аргиллит карбонатный, плотный
0 2 9 8 8 Алевролит песчано-гли нистый, плотный
0 3 7 0 0 Алевролит глинистый, плотный
0 9 4 6 8 Аргиллит алевритистый, плотный
1 1 0 1 2 ) |
То же |
-3 3 0
—3 3 0
1 .2 |
5 2 0 |
|
3 ,4 |
4 0 0 |
|
|
265 |
|
|
265 |
|
1 6 ,5 1 |
265 |
|
265 |
||
|
||
|
2 6 5 |
|
|
235 |
|
8 .1 |
295 |
|
1 ,7 6 |
6 0 0 |
|
4 ,4 9 |
7 2 0 |
|
5 ,3 9 |
5 6 0 |
|
4 ,1 1 |
4 3 0 |
|
1 ,5 9 |
8 0 0 |
ристость |
(Кп ) глинистых пород в условиях равномерного |
||||
|
"эф |
|
|
|
|
а эф* |
|
1, °с |
р ■Ю5, |
|
К" а |
кгс/см2 |
кгс/см2 |
см2/кгс |
см2/кгс |
аэф |
|
|
% |
||||
|
|
|
|
||
5 0 |
Сухой |
Комнатная |
1 7 ,0 |
5 7 ,7 8 |
2 8 ,8 9 |
2 0 0 0 |
ш |
г |
2,5 |
|
1 6 ,3 2 |
|
|
|
|||
5 0 |
|
60 |
1 .4 |
— |
|
3 3 0 |
|
6 0 |
0 ,6 |
_ |
|
5 0 |
|
60 |
1.1 |
_ |
— |
3 3 0 |
|
60 |
1 ,0 5 |
- |
- |
5 0 |
4 4 0 |
1 3 5 |
2,6 |
2 1 2 ,9 |
1 ,0 8 |
5 2 0 |
4 4 0 |
1 3 5 |
0,7 |
5 8 ,0 |
0 ,6 9 |
5 0 |
5 0 0 |
1 4 0 |
1 ,3 5 |
3 1 ,6 |
3 ,3 2 |
4 0 0 |
5 0 0 |
1 4 0 |
0 ,5 5 |
8 ,3 |
2 ,9 8 |
5 0 |
8 0 0 |
1 4 0 |
1 ,7 5 |
4 4 ,1 7 |
3 ,2 9 |
4 0 0 |
8 0 0 |
1 4 0 |
0 ,6 0 |
1 0 ,3 |
2 ,8 2 |
5 0 |
4 6 0 |
1 3 5 |
2 ,1 5 |
1 1 ,4 |
1 6 ,2 5 |
265 |
4 6 0 |
1 3 5 |
0 ,9 5 |
4,1 |
1 6 ,0 |
5 0 0 |
4 6 0 |
1 3 5 |
0 ,9 0 |
3 ,8 |
1 5 ,6 9 |
, 5 0 |
7 3 5 |
1 3 5 |
3 ,8 5 |
2 1,9 |
1 6 ,2 |
2 6 5 |
4 6 0 |
1 3 5 |
0 ,5 5 |
1 ,6 |
1 6 ,2 |
5 0 0 |
7 3 5 |
1 3 5 |
0 ,9 |
3 ,8 5 |
1 5 ,5 8 |
5 0 |
4 6 0 |
1 3 5 |
2,7 |
3 0 ,2 5 |
7 ,8 5 |
3 0 0 |
1 3 5 |
1 3 5 |
0 ,4 2 5 |
1 ,7 |
7 ,6 |
5 0 |
7 3 5 |
1 3 5 |
2 ,5 8 |
29,1 |
7 ,8 3 |
295 |
1 3 5 |
1 3 5 |
0 ,5 0 |
2,7 |
7 ,5 6 |
5 0 |
Сухой |
Комнатная |
2.0 |
1 0 1 ,8 |
1 ,6 7 |
6 0 0 ' |
ш |
* |
1 .2 |
1 1 2 ,5 |
0 ,8 0 |
|
|
||||
5 0 |
|
|
3 ,3 |
69 ,1 |
4 ,3 4 |
7 20 |
|
|
1 .6 |
4 4 ,6 |
2,91 |
5 0 |
|
|
3 .0 |
5 1 ,6 |
5 ,2 3 |
5 6 0 |
|
|
1 .3 |
24,3 |
4 .1 1 |
50 |
|
|
2,8 |
63 ,1 |
2 ,9 6 |
4 3 0 |
|
|
0 ,5 |
6 ,2 |
3 ,1 9 |
5 0 |
|
1 8 0 |
2,4 |
1 4 6 ,8 |
1 ,4 3 |
8 0 0 |
|
1 8 0 |
0 ,9 6 |
9 8 ,5 |
0 ,6 6 |
Группа |
Номер |
Порода |
патм |
’ |
аэ ф я ' |
|
пород |
образца |
кгс/см^ |
||||
|
% |
|
||||
|
|
|
|
|
||
ш |
1 1 0 ( 4 ) |
Аргиллит алевритистый, |
1 ,5 9 |
|
1 3 0 0 |
|
|
|
плотный |
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
1 1 1 ( 3 ) |
То же |
1 ,6 6 |
|
1 3 0 0 |
|
|
|
|
|
|||
|
1 1 1 ( 4 ) |
|
1 ,6 6 |
|
8 0 0 |
|
|
|
|
|
|||
|
1 1 /В - 7 3 |
Аргиллит плотный |
2 ,3 4 |
|
4 5 0 |
|
|
|
|
|
|||
|
5 6 / В -73 |
Алевролит сильно гли |
2 ,0 9 |
|
5 6 0 |
|
|
|
нистый, плотный |
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
1 /В - 7 3 |
Аргиллит |
|
|
4 5 0 |
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 Деформационные и прочностные свойства глинистых пород по
Группа Номер о&» пород разца
I
II7 7 - 4
6 5 - 1
2 а /4 3
|
*п атм |
а эфя ' |
Условия |
Порода |
»эф* |
||
|
% |
кгс/см^ |
|
|
|
|
кгс/см^ |
Глина моцтмо- |
|
|
2 5 0 |
риллонитовая |
2 9 ,9 |
|
5 0 0 |
(бентонит ог^ |
|
|
5 0 0 |
ланлинский) |
|
|
|
Глина алеври- |
- |
2 9 4 |
3 0 0 |
тистая |
|
|
|
Глина слабо- |
- |
2 9 0 |
3 3 0 |
алевритистая |
|
|
|
Аргиллит крем- |
1 ,2 |
5 2 0 |
5 2 0 |
нисто-хлорито- |
|
|
|
гидрослюдиетый
III |
1 /1 р - В 7 3 Аргиллит |
- |
4 4 0 |
4 5 0 |
|
|
1 1 /В - 7 3 |
» |
2 ,3 4 |
4 5 0 |
4 5 0 |
|
|