7. Накопление и залегание нефти

7. Накопление и залегание нефти

Вопреки распространенному мнению, нефть и газ не залегают в виде больших рек и озер под земной поверхно­стью (хотя мы и говорим о нефтяных пластах). На самом деле углеводороды - сырая нефть и природный газ, обра­зованные из углерода и водорода, входящих в состав остат­ков древних растительных и животных форм, находятся в виде флюидов в пространстве пор осадочных пород.

Накопление и залегание нефти и других углеводородов тесно связано с донными отложениями. Слои ила и других морских и пресноводных осадков, содержащие изначально разлагающиеся и гниющие остатки растений и животных, называются материнскими пластами. Материнский пласт как правило включает два вида пород - темный морской сланец и морской известняк. Как результат постоянного сжатия материнского пласта, который содержит трансформируемые отложения, давление и температура повышались, достигая значений достаточно высоких для того, чтобы образовавшиеся нефть и газ выходили из материнской породы наружу и скапливались в прилегающих пористых и достаточно проницаемых для этого породах, например таких как песчаники, различные породы карбонатного состава (известняки) и доломиты. Такие породы называются породами-коллекторами и служат хранилищами мигрирующих углеводородов.

(Масса вышележащих слоев горной породы сдавливает подстилающий слой на дне моря, выталкивая углеводороды из материнского пласта вверх, в породу-коллектор)

 

Но как же может нефть или газ проходить через скаль­ную породу? Разве порода не твердая? В действительнос­ти нет. В горной породе находится множество крошечных пустот, которые называются порами (рис. ниже).

(Нефть собирается в пустотах или порах в горной поро­де и проходит через крошечные трещины и каналы. Это назы­вается пористостью)

Эти поры являются пространством между отдельными зернами, ко­торые и составляют породу-коллектор. В одних горных породах имеются большие поры, в других - маленькие. От­ношение объема пор к общему объему породы называет­ся пористостью, которая обычно выражается в процен­тах. Например, пористость хорошего песчаника может достигать 30%, а плотный известняк может иметь порис­тость всего 5%. Таким образом, чем больше объем пор, тем выше способность горной породы удерживать значи­тельные объемы нефти.

Суммарный объем пустот характеризует абсолютная (теоретическая) пористость - отношение объема пустот в породе У_п ко всему объему породы V. Это отношение, выражен­ное в процентах или долях единицы, называют коэффициентом пористости

 К = Vп/V.

Эффективной пористостью называют отношение объема сообщаю­щихся между собой пар ко всему объему породы. Именно сообщающиеся поры заполняются пластовыми флюидами (нефтью, газом, водой), поэтому важный показатель - коэффициент насыщения породы К_н, равный отно­шению объема пустот, заполненных флюидом Vф, к общему объему пор V_п:

К_н = Vф/Vп

Помимо наличия достаточного пустого пространства в порах необходимо, чтобы углеводороды могли переме­щаться из одной поры в другую и в результате оказаться ближе к поверхности. Легкость, с которой жидкость или газ проходит через соединенные друг с другом пустоты в горной породе, характеризуется проницаемостью. Чем выше проницаемость горной породы, тем легче углеводо­роды перемещаются внутри нее из одной поры в другую.

Понятие пористости можно проиллюстрировать сле­дующим примером. Возьмите две банки одинакового объема. Одну наполните сухим песком, а другую — во­дой. Теперь медленно переливайте воду в банку с песком. Если вам удастся полностью переместить содержимое банки с водой в песок без переливания через край, то пористость составляет 50%, если только половину бан­ки — 25% и т.д.

Таким образом, крошечные промежутки между части­цами в осадочной породе образуют пустоты, в которых могут накапливаться нефть и газ. А крошечные трещины в горных породах позволяют нефти и газу выходить из мате­ринских пород и проходить через породы-коллекторы.

Перемещение нефти и газа происходит, по-видимо­му, в две стадии. Во-первых, углеводороды легче воды. Если поместить каплю моторного масла в чашку с во­дой, масло будет всплывать на поверхность. Аналогично нефть и газ, которые образовались в материнских поро­дах в нижних придонных слоях моря, переместились вверх к более пористым породам. Они продолжают поднимать­ся сквозь пористые породы, пока не достигают слоя не­проницаемой горной породы и таким образом оказыва­ются в ловушке.

Откуда берутся эти слои и ловушки? Вспомните, что осадочные горные породы в основном залегают в виде горизонтальных слоев или неглубоких наклонных участ­ков, которые называются напластованиями (или пласта­ми). По мере осаждения новых слоев ниж­ние слои сжимались и уплотнялись, превращаясь в гор­ную породу. Однако большая часть горных пород недостаточно прочна, чтобы выдерживать перемещения и давление земной коры, поэтому они деформируются.

Одним из видов деформаций являются складки, они, как правило, образуют горные сооружения, такие как скалистые горы. Складки различаются по раз­мерам - от небольших морщин до огромных арок или впадин, занимающих сотни километров. Складки, на­правленные вверх, или арки, называются антиклиналя­ми, а складки, направленные вниз, впадины - синклиналями.

 

(антиклинали и синклинали)

(пример антиклинали и синклинали)

Складки могут быть симметричными, с одинако­выми крыльями с обеих сторон, а могут быть асиммет­ричными, когда одно крыло круче, чем другое. Очень ко­роткая антиклиналь, свод которой снижается от верхней точки во всех направлениях, называется куполом. Купола очень важны для поиска нефти, так как именно с этими структурами была связана первая теория, позволяющая научно обосновать поиск и разведку нефти и газа.

Другим видом деформации горной породы является сброс. Практически все породы имеют разломы и образу­ют трещины, так называемые линии кливажа. Если слои породы по одну сторону от линии кливажа смещаются в направлении, противоположном их смещению по другую сторону, образуется сброс. Величина сбросов горных по­род может изменяться от нескольких сантиметров до ки­лометра или даже многих километров, как, например, Сан-Андреас в Калифорнии.

(разлом Сан-Андреас, Калифорния, США)

 

Сбросы могу быть  подразделены на нормальные, обратные, открытые, а также поперечные сбросы, в зависимости от вида и направления смещения. При этом как в нормальных так и в обратных сбросах смещение происходит вверх либо вниз, а в открытых и поперечных сбросах пласты смещены как правило преимущественно в горизонтальном направлении. При этом сбросы могут иметь смещение одновременно как вертикально, так и горизонтально.

(типы сбросов)

Ещё одним результатом движения пластов земной коры является уничтожение а также частичное или полное предотвращение отложения ряда осадочных горных пород, присутствующих в других местах. Такую преимущественно глубинную эрозионную поверхность обычно называют несогласным напластованием. Несогласное напластование также имеет очень важное значение, поскольку может являться ловушкой.

(несогласное напластование)

Таким образом движения земной коры являются важнейшим фактором в геологии нефти и газа, поскольку они позволяют сформировать структуру-ловушку, улавливающую нефть и газ. Не следует забывать, что нефть или газ постоянно перемещаются вверх, при этом двигаясь иногда вертикально, а иногда горизонтально, до того момента пока не оказывается в ловушке, которая образована какой-либо деформацией в пласте или слое горных пород.

Ловушки углеводородов делятся на три главных типа — структурные ловушки, стратиграфические ловушки и комбинированные ловушки. В структурных ловушках нефть и газ задерживаются в породе-коллекторе вследствие структурных особенностей самой ловушки (складка или сброс). Такие структурные особенности возникают в результате различных движений земной коры. В стратиграфических ловушках нефть и газ удерживаются вследствие изменений в литологии самой горной породы, и прежде всего ее пористости. Комбинированные ловушки объединяют в себе особенности присущие как структурным, так и стратиграфическим ловушкам.

(комбинированная ловушка)

Следовательно три фактора являются безусловно необходимыми для возникновения залежей нефти, газа и других углеводородов. Во-первых, необходим источник для образования нефти и газа. Во-вторых, необходимо наличие породы-коллектора, представляющей собой пористый пласт горной породы, достаточно проницаемый для жидкости и газа. И в-третьих, необходимо наличие ловушки или барьера, чтобы образовавшиеся жидкость и газ остановились и начали накапливаться.

Когда нефть попадает в ловушку, она вытесняет оттуда соленую воду, оставшуюся от древнего моря. Нефть всплывает на поверхность соленой воды с той же легкос­тью, что и на поверхность чистой воды (крупные разливы нефти в море показывают, что это действительно так). Поэтому нефть и газ продолжают перемещаться вверх, оставляя соленую воду в нижней части породы-коллектора. Газ еще легче, чем нефть, поэтому он обыч­но находится в самых верхних частях ловушки. Нефть, а также нефть с растворенным газом располагаются ниже, чем чистый газ. Соленая вода находится под нефтью.

(Газ, нефть и вода в коллекторе стремятся разделиться в соответствии с величиной их плотности)

Поскольку вода с растворенной солью тяжелее, чем нефть, она не вытесняется полностью из пространства пор ловушки. Оставшаяся вода, которая называется ре­ликтовой водой, заполняет меньшее пространство пор или образует пленку на поверхности частиц или зерен гор­ной породы. Нефть и газ, таким образом, располагаются в порах, покрытых этой пленкой. Вот почему вода с ра­створенной солью часто поступает из скважины вместе с нефтью или газом. Когда нефть и газ попадают в ствол скважины, а затем поднимаются к поверхности, они ув­лекают вместе с собой реликтовую воду.

Что же является движущей силой, которая заставляет жидкость из горной породы перемещаться в ствол сква­жины? Иногда это перепад давления. Жидкости переме­щаются из областей с более высоким давлением в облас­ти с более низким давлением. Давление в стволе скважи­ны ниже, чем в окружающих слоях горной породы, поэтому нефть, газ и вода текут туда.

Вода также вносит свой вклад в этот процесс. Если в верху коллектора происходит сброс давления, вода на­чинает снизу подталкивать вышележащие слои нефти и газа в  направлении ствола скважины. Такая ситуация на­зывается водонапорным режимом. Аналогично действует и газонапорный режим. Газ сосуществует с водой и нефтью в коллекторах в двух основных видах - как растворенный газ и как свободный газ. Природный газ остается в раство­ренном состоянии, если давление достаточно высоко, а температура достаточно низка. Когда нефть выходит на поверхность и давление сбрасывается с помощью разде­лительного оборудования, газ выделяется из раствора. Свободный газ обычно накапливается в верхней струк­турной области коллектора, где образует газовую шапку. В случае газонапорного режима ствол скважины пробу­ривают внутрь слоя нефти. По мере уменьшения количе­ства нефти газ расширяется, сбрасывая давление, и зас­тавляет нефть двигаться в сторону ствола скважины.

При эксплуатации скважины предпочтителен газ в ра­створенном состоянии. До тех пор, пока в коллекторе име­ется свободный газ в виде газовой шапки, нефть в кол­лекторе остается насыщенной растворенным газом. На­личие растворенного газа понижает вязкость (или текучесть) нефти и облегчает ее поступление к стволу скважины.

Литература:

1. Норман Дж. Хайн. Геология, разведка, бурение и добыча нефти. М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2008г. – 752 стр.

2. Грей Форест. Добыча нефти. Переведено с английского М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2001г. – 416 стр.: ил. – (Серия «Для профессионалов и неспециалистов»).

3. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин, Учебник для вузов. − М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2003. -1007 с. ил. ISBN 5-8365-0130-0

Подготовил: Легковский А.А.

Статья создана исключительно в информационно-познавательных целях и может быть удалена по просьбе автора или правообладателя входящих в нее материалов.

Благодарим за внимание!