Файл: Физика нефтяного и газового пласта санктпетербург.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 06.11.2023

Просмотров: 240

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

1.4. Фильтрационно-ёмкостные параметры коллекторов.Реальные пористые среды в подземной гидромеханике представляются идеализированными моделями - фиктивным и идеальным грунтами. Фиктивный грунт - среда, состоящая из шариков, в частности, одного размера, идеальный - параллельные трубочки одного или разного диаметра.Основные характеристики пористых сред: пористость, просветность, гранулометрический состав, эффективный диаметр или гидравлический диаметр пор, удельная поверхность, механические свойства (упругость, пластичность, сопротивление разрыву и сжатию). Кроме того, введены параметры, связанные с жидкостью: насыщенность и проницаемость.Параметры пористой средыПористость - это отношение объема пор Vп к объему пористой среды Vm=Vп /V (1.1)Для фиктивного грунта, исходя из геометрических построений, Слихтер вывел зависимость для полной пористости . (1.2)Из формулы (1.2) имеем mo=0,259 при=60о и mo=0,476 при =90о.Просветность - это отношение площади просветов fп ко всей площади сечения f:n =fп /f (1.3)Просветность n фиктивного грунта вычисляется по формуле , (1.4)что даёт ms=0,0931 при =60о и ms=0,476 при =90о.Эффективный диаметр определяют по гранулометрическому составу, или по формуле веса средней частицы , (1.5)где di- средний диаметр i -ой фракции; ni - массовая или счетная доля i - ой фракции.Для идеального грунта имеется связь радиуса пор с диаметром частиц фиктивного грунта (1.6) Пористость бывает полная, открытая, эффективная. В последнем случае под объемом пор понимается объем открытых пор занятых подвижной жидкостью, т.е. того объёма, через который может протекать жидкость. Измеряется коэффициент пористости в долях единицы или в процентах объема породы. По происхождению поры и другие пустоты подразделяются на первичные и вторичные. К первичным пустотам относят пустоты между зернами, промежутки между плоскостями наслоения и т.д., образующиеся в процессе осадконакопления и формирования породы. К вторичным – поры, возникшие в результате последующих процессов разлома и дробления породы, растворения, возникновения трещин (например, вследствие доломитизации) и др. Структура порового пространства пород обусловлена гранулометрическим составом частиц, их формой, химическим составом пород, происхождением пор, а также соотношением количества больших и малых пор.В большой степени свойства пористых сред зависят от размеров поровых каналов. По величине поровые каналы нефтяных пластов условно разделяются на три группы:1) сверхкапиллярные – более 0,5 мм;2) капиллярные – от 0,5 до 0,0002 мм (0,2 мкм);3) субкапиллярные — менее 0,0002 мм (0,2 мкм). По крупным (сверхкапиллярным) каналам и порам движение нефти, воды и газа происходит свободно, а по капиллярным – при значительном участии капиллярных сил.В субкапиллярных каналах жидкости в такой степени удерживаются силой притяжения стенок каналов (вследствие малого расстояния между стенками канала жидкость в ней находится в сфере действия молекулярных сил материала породы), что практически в природных условиях перемещаться в них не могут.Породы, поры которых представлены в основном субкапиллярными каналами, независимо от пористости практически непроницаемы для жидкостей и газов (глина, глинистые сланцы). Хорошие коллекторы нефти – те породы, поры которых представлены в основном капиллярными каналами достаточно большого сечения, а также сверхкапиллярными порами. Из сказанного следует, что при существующих в естественных условиях перепадах давлений не во всех пустотах жидкости и газы находятся в движении.В реальных условиях твердые зерна породы обволакиваются тонкой плёнкой, остающейся неподвижной даже при значительных градиентах давления. В этом случае подвижный флюид занимает объём, меньший Vп. Кроме того , в реальной пористой среде есть тупиковые поры, в которых движения жидкости не происходит. Таким образом, наряду с полной пористостью часто пользуются понятием открытой и динамической пористостостями. Коэффициентом открытой пористости m0 принято называть отношение объема открытых, сообщающихся пор к объему образца: (1.7)где Vпо – объем, занятый подвижной жидкостью.Динамическая пористость характеризует относительный объем пор и пустот, через которые могут фильтроваться нефть и газ в условиях, существующих в пласте.В дальнейшем под пористостью мы будем понимать динамическую пористость, кроме специально оговорённых случаев.Удельная поверхность - это суммарная площадь поверхности частиц, содержащихся в единице объема пористой среды.Для фиктивного грунта (1.8)Удельная поверхность нефтесодержащих пород с достаточной точностью определяется формулой (1.9)где k - проницаемость в дарси [мкм2].Среднее значение Sуд для нефтесодержащих пород изменяется в пределах 40 тыс. - 230 тыс. м2/м3. Породы с удельной поверхностью большей 230тыс. м2/м3 непроницаемы или слабопроницаемы (глины, глинистые пески и т.д.).Насыщенность - это отношение объема жидкости Vf, содержащейся в порах, к объему пор Vп (1.10)Проницаемость - это параметр породы, характеризующий ее способность пропускать жидкие и газообразные среды. Физический смысл проницаемости k заключается в том, что она характеризует площадь сечения каналов пористой среды, по которым происходит фильтрация.Величина проницаемости зависит от размера пор для модели идеального грунта с трубками радиуса R , (1.11)где R - мкм; k - д.Для реальных сред радиус пор связан с проницаемостью формулой Котяхова , (1.12)где k -д; R - м;  - структурный коэффициент (=0.5035/m1,1 - для зернистых сред).Т.к. радиус пор связан с удельной поверхностью, то с ней связана и проницаемость , (1.13)Проницаемость горных пород меняется в широких пределах: крупнозернистый песчаник - 1-0.1д; плотные песчаники - 0.01-0.001д. Параметры трещинной среды.Коллекторские свойства трещинных горных пород характеризуются густотой и раскрытостью трещин, которые определяют трещинную пористость и проницаемость, обусловленную наличием в породе трещин.Трещиноватость - отношение объёма трещин Vт ко всему объёму V трещинной среды. . (1.14)Коэффициент густоты трещин  равен отношению суммарной протяженности трещин к поверхности фильтрации (1.15)где а – суммарная протяженность трещин; F – площадь фильтрации.Трещинная пористость mт (ее иногда по аналогии с коэффициентом пористости обычных коллекторов называют коэффициентом трещиноватости) определяется отношением объема трещин к объему образца породы: , (1.16)где b – раскрытие трещины.Для трещинно-пористой среды вводят суммарную (общую) пористость, прибавляя к трещиноватости пористость блоков. Из (1.16) следует, что для идеализированной трещинной среды mт=тαbт, (1.17)где bт - раскрытость; т - безразмерный коэффициент, равный 1,2, 3 для одномерного, плоского и пространственного случаев, соответственно.Для реальных пород значение коэффициента  зависит от геометрии систем трещин в породе.Для квадратной сетки трещин (плоский случай) αт=1 / lт, где lт - размер блока породы. Средняя длина трещин l* равняется среднему размеру блока породы и равнаl*=1 / αт . (1.18)Трещинный пласт - деформируемая среда. В первом приближении можно считать , (1.19)где bт0 - ширина трещины при начальном давлении р0 ; *т=п l/bт0 - сжимаемость трещины; п - сжимаемость материалов блоков; l - среднее расстояние между трещинами. Для трещинных сред l/ bт >100 .Проницаемость трещиноватых сред равна (1.20)Для трещиновато-пористой среды общая проницаемость определяется как сумма межзерновой и трещинной проницаемостей.1.5. Насыщенность коллекторовФазовая и относительная проницаемости для различных фаз зависят от нефте–, газо– и водонасыщенности порового пространства породы, градиента давления, физико-химических свойств жидкостей и поровых фаз.Насыщенность – один из важных параметров продуктивных пластов, тесно связанный с фазовой проницаемостью и характеризует водонасыщенность (Sв), газонасыщенность (Sг), нефтенасыщенность (Sн).Предполагается, что продуктивные пласты сначала были насыщены водой. Водой были заполнены капилляры, каналы, трещины. При миграции и аккумуляции углеводороды, вследствие меньшей плотности, стремятся к верхней части ловушки, выдавливая вниз воду. Вода легче всего уходит из трещин и каналов. Из капиллярных пор и микротрещин вода плохо уходит в силу капиллярных явлений. Она может удерживаться молекулярно-поверхностными и капиллярными силами. Таким образом, в пласте находится остаточная (погребенная) вода. Количество остаточной воды (Sв.ост.) связано с генетическими особенностями формирования залежей нефти и газа. Её величина зависит и от содержания цемента в коллекторах, и в частности, от содержания в них глинистых минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюд и других. Обычно, для сформированных нефтяных месторождений остаточная водонасыщенность изменяется в диапазоне от 6 до 35 %. Соответственно, нефтенасыщенность (SН), равная 65 % и выше (до 90 %), в зависимости от "созревания" пласта, считается хорошим показателем. Однако, эта закономерность наблюдается далеко не для всех регионов. Например, в Западной Сибири встречается много, так называемых, недонасыщенных нефтью пластов. В залежах иногда наблюдаются переходные зоны (ПЗ), в которых содержится рыхлосвязанная вода. Толщины ПЗ могут достигать десятков метров. При создании депрессий на забоях добывающих скважин вода из этих зон попадает в фильтрационные потоки и увеличивает обводнённость продукции, что осложняет выработку запасов нефти. Такие явления характерны для месторождений: Суторминского, Советско-Соснинского, Талинского, Средневасюганского и др.В пределах нефтяных залежей, большая начальная нефтенасыщенность отмечается в купольной части структур, к зоне водонефтяного контакта (ВНК) ее величина, как правило, может значительно снижаться. Остаточная водонасыщенность, обусловленная капиллярными силами, не влияет на основную фильтрацию нефти и газа.Количество углеводородов, содержащихся в продуктивном пласте, зависит от насыщенности порового пространства породы водой, нефтью и газом.Водонасыщенность (SВ) характеризует отношение объёма открытых пор, заполненных водой к общему объёму пор горной породы. Аналогичны определение для нефте- (SН) и газонасыщенности (SГ): , (1.21)где VВ, VН, VГ – соответственно объёмы воды, нефти и газа в поровом объёме (Vпор) породы. От объёма остаточной воды зависит величина статической полезной ёмкости коллектора. Статическая полезная ёмкость коллектора (Пст) характеризует объём пор и пустот, которые могут быть заняты нефтью или газом. Эта величина оценивается как разность открытой пористости и объёма остаточной воды:Пст = Vсоб. пор – Vв. ост.. (1.22)В зависимости от перепада давления, существующих в пористой среде, свойств жидкостей, поверхности пород та или иная часть жидкости (неподвижные пленки у поверхности породы, капиллярно удерживаемая жидкость) не движется в порах. Её величина влияет на динамическую полезную ёмкость коллектора. Для месторождений параметр насыщенности нормирован и равен единице (S = 1) или 100 %. То есть, для нефтяных месторождений справедливо следующее соотношение: SН + SВ = 1. (1.23)Для газонефтяных месторождений соответственно:SВ + SН + SГ = 1, Sг = 1 – (SB + SH). (1.24)На практике насыщенность породы определяют в лабораторных условиях по керновому материалу в аппаратах Закса или по данным геофизических исследований в открытых стволах скважин.1.6 ПроницаемостьАбсолютно непроницаемых тел в природе нет. Располагая соответствующим давлением, можно продавать жидкости и газы через все тела. Однако при существующих в нефтяных пластах перепадах давлений многие породы оказываются практически непроницаемыми для жидкостей и газов (например, глины, сланцы, изверженные породы и др.). Это можно объяснить тем, что указанные породы обладают капиллярными и субкапиллярными порами весьма малых размеров, оказывающими большое сопротивление движению жидкости и даже газа. Почти все осадочные породы, слагающие нефтяные и газовые пласты – пески, песчаники, известняки, доломиты и др. – обладают той или иной проницаемостью.При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в пористой среде движутся нефть, газ, вода или нефте-водо-газовые смеси. В зависимости от того, какой флюид движется в пористой среде и каков характер движения, проницаемость одной и той же среды может быть различной.Поэтому для характеристики проницаемости нефтесодержащих пород введены понятия абсолютной, эффективной и относительной проницаемости.Абсолютная или физическая проницаемость - это прони­цаемость пористой среды при движении в ней какой-либо од­ной фазы - газа или однородной жидкости без физико-химического взаимодействия между жидкостью и пористой средой и при условии полного заполнения пор среды газом или жидкос­тью.Эффективная (фазовая) проницаемость - проницаемость пористой среды для данного газа или жидкости при содержа­нии в порах другой фазы - жидкой или газовой.Относительная проницаемость - отношение эффективной проницаемости к абсолютной.Для количественного определения проницаемости пород может быть использован линейный закон фильтрации Дарси, по которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна перепаду давления и обратно пропорциональна вязкости: ( 1.25 )где Q – объемный расход жидкости через породу за 1 сек, м3/с; - скорость линейной фильтрации, м/с; - динамическая вязкость жидкости, Н.сек/м2;L – длина пористой среды, м;F – площадь фильтрации, м2;Р – перепад давления на длине образца, Н/м2;k – коэффициент пропорциональности, который называется к о э ф ф и ц и е н т о м п р о н и ц а е м о с т и п о р о д ы, м2.Величина этого коэффициент из уравнения ( 1.25 ) будет равна: ( 1.26 )Эту формулу применяют при определении в лабораторных условиях проницаемости по жидкости. При измерении проницаемости при помощи газа будем иметь: ( 1.27 )где Q - объемный расход газа при среднем давлении Рср по длине образца.Практически при малых длинах испытуемых образцов среднее давление ( 1.28 )где Р1 и Р2 – соответственно давление на входе газа в образец и на выходе из него.Полагая, что процесс расширения газа при его фильтрации через образец происходит изотермически, можно написать согласно закону Бойля-Мариотта ( 1.29 )где Q0 – расход газа при атмосферном давлении Р0.Размерность величин, входящих в формулы (1.25) и (1.26), в системе CCS следующая: [Q] – см3/сек; [ ] – пуаз = дн сек/см2; [L] – см; [F] – см2; [Р] – дн/см2.Следовательно, размерность проницаемости в системе CGS будет (1.30)т.е. коэффициент проницаемости имеет размерность площади. Физический смысл этого заключается в том, что проницаемость характеризует величину площади сечения поровых каналов, по которым происходит фильтрация.Единица проницаемости 1 см2 велика и неудобна для практических расчетов. За единицу проницаемости в 1 дарси принимают проницаемость такой пористой среды, при фильтрации через образец которой площадью 1 см2 при перепаде давления в 1 ат на длине 1 см расход жидкости вязкостью в 1 сантипуаз составляет 1 см3/сек.Эта единица получила повсеместное признание под наименованием д а р с и. Величина, равная 0,001 дарси, называется м и л л и д а р с и.Учитывая, что 1 сантипуаз = 0,01 пуаза и 1 ат = 1 013,3х103 дн/см2, получим следующее соотношение: (1.31)1.7. Зависимость проницаемости от насыщенности коллекторовВ условиях реальных пластов при разработке месторождений возникают различные виды многофазных потоков: - движение нефти и воды в нефтяных залежах;- движение газированной нефти;- трехфазного потока нефти, воды и газа одновременно.Х Рис. 3. Зависимость относительной проницаемости песка для нефти – 1, для воды – 2 от водонасыщености порового пространстваарактеры этих потоков изучены экспериментально. Результаты исследований обычно изображаются в виде графиков (диаграмм фазовых относительных проницаемостей) зависимости относительной проницаемости от степени насыщенности порового пространства различными фазами. Фильтрация нефти и воды через песок редставлена на рис. 3. Если в несцементированном песке содержится 20 % воды, относительная проницаемость для нее все еще остается равной нулю. Вода будет себя вести как неподвижная фаза, за счет проявления капиллярных и молекулярно-поверхностных сил. Вода удерживается в субкапиллярных и тупиковых (открытых, но не сообщающихся) порах, в местных контактах зерен, в виде неподвижных полимолекулярных пленок и микрокапель на поверхности породы и др.При возрастании водонасыщенности выше порогового значения, вода начинает участвовать в фильтрации. Как видно из приведенных зависимостей (рис. 3), при возрастании водонасыщенности до 30 %, относительная проницаемость для нефти снижается в два раза. Если водонасыщенность песка достигнет 80 % (рис. 3) относительная проницаемость для нефти равна нулю. Остаточная нефть будет прочно удерживаться породой за счет капиллярных и молекулярно-поверхностных сил. Для других пород: песчаников, известняков, доломитов, процент остаточной нефтенасыщенности (как неподвижной остаточной фазы) еще выше.При разработке и эксплуатации нефтяных месторождений необходимо применять меры для предохранения нефтяных пластов и забоев скважин от преждевременного обводнения.К Рис. 4. Зависимость относительной проницаемости пористых известняков и доломитов для газа и жидкости от водонасыщенностироме того, при проникновении в породу фильтрата бурового раствора возрастает водонасыщенность в призабойной зоне пласта (ПЗП), что значительно уменьшает относительную проницаемость пород для нефти и, как следствие, уменьшается дебит скважины, усложняется и удлиняется процесс освоения скважины. Водные фильтраты промывочных жидкостей имеют, как правило, гидрофильную природу, хорошо смачивают и прочно удерживаются породами пласта. Удаление их из ПЗП затруднено даже при повышенных депрессиях (разность между пластовым и забойным давлением). Движение смеси жидкости и газа на примере их фильтрации через пористые известняки и доломиты проиллюстрировано на рисунке 4.Анализ приведенных зависимостей отражает закономерно-сти в движении жидкости и газа в различных типах коллекторов. При содержании в поровом пространстве до 30 % жидкости для песков, известняков, доломитов, а в песчаниках до 60 %, относительная проницаемость для жидкой фазы (k'Ж) равна нулю.Относительная проницаемость для газа (k'Г) для песков, известняков и доломитов 60 %, песчаников

5 ПЛАСТОВЫЕ ВОДЫ

5.1. Физическое состояние воды в горных породах

5.2 Физические свойства пластовых вод

5.3Минерализация пластовой воды

7.1. Силы, противодействующие вытеснению нефти из пласта Под действием капиллярных сил столбик воды будет стремиться принять цилиндрическую форму, оказывая при этом давление p на пленку нефти между столбиком воды и стенками капилляра, величина которого равна: , (7.1)где R – радиус сферической поверхности столбика воды; r – радиус цилиндрической поверхности капилляра;  - поверхностное натяжение на границе нефти с водой. С начала движения столбика воды в капилляре возникает сила трения, обусловленная давлением воды на стенки капилляра. Капиллярное давление, создаваемое менисками, составит; и . (7.2)Разность этих давлений и будет создавать силу, противодействующую внешнему перепаду давления рк = (p1 – p2) , т.к. Явление, сопровождающееся возникновением дополни­тельных сопротивлений при движении пузырьков газа и несмешивающихся жидкостей в капиллярных каналах, принято называть эффектом Жамена. Многочисленные эффекты Жамена возникают также при движении газоводонефтяных смесей в пористой среде. Величина дополнительного сопротивления и капиллярного давления для единичных столбиков может быть и невелика. Но в пористой среде столбики и четки образуются в больших количествах и на пре­одоление капиллярных сил затрачивается значительная часть пласто­вой энергии.В Рис. 20. Деформация капли в суженной части канала пористой среде водонефтяная смесь движется в капиллярах переменного сечения, при этом происходит деформация капель и четок (рис. 20). При переходе столбиков и шариков нефти, воды или газа из широкой части канала в суженую вследствие неравенства радиусов кривизны менисков возникает противодавление, равное: . (7.3) Водонефтяные смеси могут образовываться на протяжении де­сятков и сотен метров. Если бы эффект Жамена проявлялся в пласте так же интенсивно, как и в ци­линдрических капиллярах, движение жидкостей в пористой среде было бы затруднено. Эффект Жамена в пласте в значительной степени ослабляется вслед­ствие сжимаемости газовых пузырьков и упругости жидкости и пород пласта. При этом происходит сдвиг не сразу всей массы смеси, а отдельных ее участков. Кроме того, в каналах неправильной формы жидкости могут иметь обходные пути между стенками каналов и пузырьками воды или газа (рис. 21). Рис. 21. Схема расположения капли воды в капилляре неправильной формы, смоченном нефтью7.2. Схема вытеснения из пласта нефти водой и газомВ природных условиях наиболее распространены залежи, разрабатываемые на напорных режимах (или эти режимы работы воспроизводятся и поддерживаются искусственно путем нагнетания в залежь воды или газа). Нефть из таких залежей вытесняется внешними агентами - краевой или нагнетаемой водой, свободным газом газовой шапки или газом, нагнетаемым в пласт с поверхности. Несмотря на существенные различия в отдельных деталях процесса, общая качественная схема вытеснения нефти водой и газом имеет много общего.Нефть и вытесняющий ее агент движутся одновременно в пористой среде. Однако полного вытеснения нефти замещающими ее агентами никогда не происходит, так как ни газ, ни вода не действуют на нефть как «поршни». Вследствие неоднородности размеров пор в процессе замещения вытесняющая жидкость или газ с меньшей вязкостью неизбежно опережает нефть. При этом насыщение породы различными фазами, а следовательно, и эффективная проницаемость для нефти и вытесняющих агентов непрерывно изменяются. С увеличением водонасыщенности, например до 50—60 %, увеличивается количество воды в потоке в связи с возрастанием эффективной проницаемости породы для воды. При этом нефть уже не вытесняется из пор, а скорее увлекается струей воды. Таким образом, по длине пласта образуется несколько зон с различной водонефтенасыщенностью. Типичная картина изменения водонасыщенности по длине пласта, в один из моментов времени при вытеснении нефти водой приведена на рис. 22 (сплошная линия). Пунктирными линиями показано приблизительное распределение нефти и воды в пласте при других положениях водонефтяного контакта.Эта схема представляется всеми исследователями как суммарный результат проявления капиллярных и гидродинамических сил.Водонасыщенность пласта уменьшается от максимального значения Smax, соответствующего конечной нефтеотдаче на начальной линии нагнетания воды, до значения насыщенности погребенной воды Sп. При этом в пласте можно отметить три зоны (I, II и III). В первой из них, где водонасыщенность изменяется от Smax до Sф, на условном контуре вытеснения она плавно понижается по направлению к нефтенасыщенной части пласта. Этот участок характеризует зону водонефтяной смеси, в которой постепенно вымывается нефть. Второй участок (зона II) с большим уклоном кривой представляет собой переходную зону от Iвымывания нефти к зоне III движения чистой нефти. Эту зону принято называть стабилизированной. Длина ее в естественных условиях может достигать нескольких метров.А Рис. 22. Изменение нефте- водонасыщенности пласта при вытеснении нефти водойналогичное распределение газа и нефти в пласте образуется при вытеснении нефти газом. Разница главным образом количественная в связи с различной вязкостью воды и газа. Так, вследствие небольшой вязкости газа «поршневое» вытеснение им нефти может происходить только при газонасыщенности породы, не превышающей 15 % от объема пор. При увеличении газонасыщенности в потоке преобладает газ, и механизм вытеснения нефти будет заменяться механизмом увлечения ее струёй газа. При газонасыщенности

; k - коэффициент, зависящий от состава газа;пл – растворимость газа в минерализованной воде в м3/м3; пр – растворимость газа в чистой воде в м3/м3.

Вязкость воды в пластовых условиях зависит в основном от температуры и концентрации растворенных солей. Влияние давления на вязкость вод незначительно и зависит от природы и концентрации растворенных солей и от температуры. В области низких температур (5-100С) вязкость слабо минерализованных вод уменьшается с повышением давления. Наиболее вязки хлоркальциевые воды. Вязкость их при одних и тех же условиях превышает вязкость чистой воды в 1,5-2 раза.

В связи с малой растворимостью газов в воде вязкость незначительно уменьшается при насыщении ее газом. Поэтому вязкость ее в пластовых условиях можно определять (для практических расчетов) обычными капиллярными вискозиметрами при пластовой температуре и атмосферном давлении.

5.3Минерализация пластовой воды


Минерализация вод нефтяных месторождений колеблется от нескольких сотен кг/м3 в пресной воде до 300 кг/м3 в концентрированных рассолах.

Основные минеральные вещества, входящие в состав пластовых вод, представлены солями натрия, калия, кальция, магния и некоторых других металлов. Основными солями пластовых вод являются хлориды (СI) щелочных металлов и бикарбонаты щелочей и щелочноземельных металлов. Вблизи нефти сульфаты (SO4) встречаются весьма редко. Многие пластовые воды отличаются повышенным содержанием йода, брома и NH4. Из газообразных веществ в пластовых водах содержатся углеводородные газы, а иногда и значительные количества сероводорода.

Состав пластовых вод определяется многими факторами: минеральным составом пород пласта, характером его гидрогеологического режима, возрастом пластов, температурными условиями, величиной пластового давления и т.д.

Исследования показывают, что состав связанной воды может быть иной, чем пластовой. Так, например, среднее содержание хлора в связанной воде ярегского песчаника (по С.Л.Заксу) оказалось в 2,5 раза выше, чем в воде, добываемой вместе с нефтью. Содержание хлора в связанной воде доломитов Новостепановского месторождения изменяется от 19 до 335 кг/м3 при среднем содержании хлора в водах этого месторождения около 100 кг/м3.

Нефтяные залежи, имеющие промышленное значение, находятся в зоне затрудненного водообмена. Однако присутствие в некоторых пластах пресных вод обусловлено гидродинамической связью, существующей между нефтеносными пластами и поверхностными областями питания. Имеется много месторождений, где нефть залегает вместе с пресной водой или с водами низкой концентрации солей. Поэтому наличие гидродинамической связи нефтяного пласта с поверхностными источниками питания не всегда сопровождается вымыванием нефти из ловушек и разрушением залежи.
5.4 Состояние остаточной (связанной) воды

в нефтяных и газовых коллекторах

Состояние остаточной воды и начальное распределение нефти, газа и воды в пористой среде пласта определяются многочисленными свойствами пористой среды и пластовых жидкостей – структурой пор и составом пород, физико-химическими свойствами пород и пластовых жидкостей, количеством и составом остаточной воды и т.д.


Начальное распределение нефти, остаточной воды и газа в пористой среде пласта имеет чрезвычайно важное значение в процессах движения нефти в пористой среде и вытеснения ее водой из пласта. В зависимости от количества, состава и состояния остаточных вод находится молекулярная природа поверхности нефтяного коллектора. Если остаточная вода находится в пласте в виде тонкой пленки, покрывающей поверхность поровых каналов, то поверхность твердой фазы остается гидрофильной. Если же свойства фаз таковы, что пленка воды отсутствует, то нефть непосредственно соприкасается с твердой поверхностью и вследствие адсорбции поверхностно-активных веществ нефти поверхность нефтяного коллектора становится в значительной степени гидрофобной. Следовательно, формы существования остаточной воды необходимо учитывать по всех процессах, в которых молекулярная природа поверхности твердой фазы имеет существенное значение.

Существенное влияние распределения остаточной воды в поровом пространстве оказывает на фазовые проницаемости породы для нефти, воды и газа. Многие другие явления, происходящие в пласте, как-то: смачиваемость пород вытесняющими жидкостями, интенсивность капиллярных процессов, количество и формы существования нефти, остающейся в поровом пространстве пласта после истощения пластовой энергии, и др., во многом также зависят от первоначального распределения жидкостей в пласте.

Остаточная вода находится в пористой среде и других дисперсных телах в следующем виде:

1) капиллярно связанной воды, находящейся в узких капиллярных каналах, где интенсивно проявляются капиллярные силы;

2) адсорбционной воды, удерживаемой молекулярными силами у поверхности твердого тела и прочно связанной с частицами пористой среды; молекулы адсорбированной воды ориентированы; по свойствам адсорбированная вода значительно отличается от свободной;

3) пленочной воды, покрывающей гидрофильные участки поверхности твердой фазы;

4) свободной воды, удерживаемой капиллярными силами в дисперсной структуре, захваченной механически; ограничивается менисками на поверхностях раздела вода – нефть, вода – газ.

При анализе кернового материала в образце породы обычно определяется общее количество остаточной воды без количественной оценки различных ее видов. Это объясняется неопределенностью условий существования и классификации остаточной воды и сложностью раздельного их определения.


Состояние остаточной воды в нефтяном и газовом пластах определяется физико-химическими свойствами жидкостей. Чаще всего сплошная пленка воды между нефтью и твердой фазой отсутствует и большая часть остаточной воды находится в капиллярно удержанном состоянии. Увеличение концентрации солей в жесткой остаточной воде, первоначально заполнявшей керн, приводит в последующем к увеличению степени гидрофобизации твердой фазы нефтью вследствие десольватирующего (т.е. разрушающего сольватные соли) действия ионов солей. Устойчивые пленки воды на поверхности твердого тела возникают только при очень низком значении поверхностного натяжения между водой и нефтью, при слабой минерализации воды. На этом основании можно предполагать, что в пластах, содержащих высокополярные нефти и слабо минерализованные сильно щелочные остаточные воды, последние находятся в капиллярноудержанном и пленочном состоянии.

Сильно минерализованные остаточные воды в газовом коллекторе не образуют равновесной смачивающей пленки. Это объясняется десольватирующим действием ионов солей, находящихся в остаточной воде. Средняя равновесная толщина слоя слабо минерализованной воды на поверхности кварца на границе с воздухом составляет 5 . 10-6 см (50 нм) (1 нм (нанометр) = 10-9 м = 10-6 мм = 10-7 см).

Общее количество различных форм остаточной воды в породе зависит также от состава и физических свойств пород и пластовых жидкостей.

6. ПОВЕРХНОСТНО–МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ ПЛАСТ–ВОДА–НЕФТЬ–ГАЗ

6.1. Роль поверхностных явлений в фильтрации

Нефтяной пласт представляет собой залежь осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, поверхность которых очень велика. Поверхность поровых каналов в 1 м3 породы может составлять несколько гектаров. Поэтому закономерности движения нефти в пласте и её вытеснения из пористой среды зависят также и от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

На формирование залежей углеводородов оказывает влияние количество остаточной воды в залежи (остаточная водонасыщенность, SB), которая в свою очередь зависит от свойств воды и углеводородов и от природы поверхности горной породы.

Под природой поверхности понимаются гидрофильность – способность вещества смачиваться водой и гидрофобность – способность вещества не смачиваться водой.


Физико-химические свойства поверхностей раздела фаз, и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей – поверхностным натяжением на границе раздела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой адгезии и когезии, теплотой смачивания.

6.2. Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение связано с такими понятиями как свободная энергия поверхностного слоя жидкости, работа поверхностного натяжения, сила поверхностного натяжения и

Поверхностное натяжение (σ) характеризует избыток свободной энергии сосредоточенной на одном квадратном сантиметре площади поверхностного слоя на границе раздела двух фаз:
Е = σ S, (6.1)
где σ – поверхностное натяжение;

S – суммарная поверхность двух фаз.

Поверхностное натяжение характеризует работу, образования 1 см2 новой поверхности в изотермических условиях:

A = σ S. (6.2)

Поверхностное натяжение характеризует силу, действующую на единицу длины периметра взаимодействия двух фаз (линию смачивания):

, (6.3)

где l – линия смачиваемости.

Физический смысл величины поверхностного натяжения характеризует меру некомпенсированности молекулярных сил

По величине поверхностного натяжения пластовых жидкостей на различных модельных поверхностях (аналогичных пластовым) можно судить о свойствах соприкасающихся фаз, закономерностях взаимодействия жидких и твёрдых тел, процессах адсорбции, количественном и качественном составе полярных компонентов в жидкости, интенсивности проявления капиллярных сил и т.д.

Коэффициент поверхностного натяжения σ зависит от давления, температуры, газового фактора, свойств флюидов.

Влияние температуры и давления на поверхностное натяжение σ можно установить исходя из молекулярного механизма возникновения свободной поверхностной энергии и энергетической сущности поверхностного натяжения.

С увеличением давления σ жидкости на границе с газом понижается. С повышением температуры происходит ослабление межмолекулярных сил и величина поверхностного натяжения чистой жидкости (чистой воды) на границе с паром (газом) уменьшается.

Общий характер изменения величины поверхностного натяжения с изменением температуры и давления для нефти такой же, как и у воды (рис. 15).

Смотрите также файлы