Теоретичні положення. На енергетичні властивості нафтових і газових покладів, які характеризуються пластовим тиском у пористому середовищі колектора

 

На енергетичні властивості нафтових і газових покладів, які характеризуються пластовим тиском у пористому середовищі колектора, більшою чи меншою мірою впливає температура надр земної кори.

Вивчення закономірностей зміни температури в земній корі з глибиною і розподіл її по площі в окремих районах і областях має велике значення для вирішення геологічних і технічних завдань у ході пошуків, розвідки і розробки покладів нафти і газу. Знання температурного режиму в верхній оболонці земної кори полегшує розуміння процесів, пов’язаних із дослідженням тектоніки окремих регіонів, генезису вуглеводнів і їх накопичення в пастках, а також закономірностей переходу вуглеводнів з однієї фази в ін­шу. Крім того, інформація про температурні умови того або іншого регіону потрібна для успішного проведення спорудження глибоких свердловин і експлуатації нафтогазових покладів. Цією проблемою займалися В.Н. Матвієнко (1966), Л.І. Жильцова, І.С. Старобинець (1970), О.А. Калятин, Е.В. Кучерук (1975), В.Г. Осадчий, А.И. Лурье, В.Ф. Ерофеев (1976) та інші.

Відомо, що температура в земній корі з глибиною підвищується. Оцінку збільшення температури з глибиною проводять за допомогою понять геотермічного ступеня і геотермічного градієнта.

Геотермічний ступінь (G) — це відстань (в метрах) по вертикалі, яка відповідає збільшенню температури гірських порід у розрізі земної кори з глибиною на 1 °С. Геотермічний ступінь на глибині (Н) визначають за формулою: , де h _пост — товщина поверхневого шару, нижче якого починає діяти закономірне підвищення температури, м; t_пл — температура в пласті на глибині, °С; t — середньорічна температура у певному районі або області на поверхні.

Геотермічний ступінь має різні значення і залежить від геологічної будови району. Менші значення геотермічного ступеня спостерігаються в зонах прояву магматизму, вулканізму, в тому числі грязьового. Тобто в цих районах температурні умови з глибиною зростають інтенсивно. Менш розігрітими є платформові ділянки земної кори. На платформах геотермічний ступінь збільшується, тому що зростання температур з глибиною відбувається повільніше порівняно з областями прояву магматичних процесів і з тектонічно активними зонами, особливо, у місцях прояву грязьового вулканізму. Середнє значення геотермічного ступеня в земній корі загалом по планеті складає 33 м на 1°С.

Геотермічний градієнт — величина, обернена геотермічному ступеню, тобто кількість градусів за Цельсієм, що припадає на 100 м збільшення глибини. У середньому по світу геотермічний градієнт дорівнює 3, 33°С на 100 м, проте, у різних районах залежно від геологічної будови він також коливається в широких межах. У геосинклінальних областях, де спостерігаються процеси діапіризму, грязьового вулканізму геотермічний градієнт часто збільшується (відповідно геотермічний ступінь зменшується). У межах платформ геотермічний градієнт характеризується малими значеннями. На кристалічних щитах, де на поверхню виходять древні консолідовані гірські породи, геотермічний градієнт мінімальний, а геотермічний ступінь, відповідно, максимальний.

Тепло в надрах земної кори генерується тепловими потоками з підкорових оболонок Землі в результаті розпаду радіоактивних елементів, а також гравітаційного ущільнення порід безпосередньо осадової товщі земної кори і тектонічних процесів, при яких здійснюються деформація великих мас гірських порід під час їх переміщень. Внаслідок цього механічна енергія може частково перетворюватися в теплову. Підігрівання гірських порід збільшується зі зменшенням їх теплопровідності. Так, відомо, що в розрізах осадової товщі земної кори, де переважають глинисті утворення, які характеризуються меншою теплопровідністю порівняно з іншими осадовими породами, геотермічні градієнти за рівних інших умов вищі, ніж у карбонатних породах у наслідок більшої теплопровідності останніх.

Проте за даними геологоастрономічних досліджень нема підстав вважати, що збільшення температури, яке спостерігається з глибиною у верхніх шарах земної кори відбувається за тією ж закономірністю і в її нижніх шарах та більш глибинних оболонках планети. Дані щодо джерел тепла і теплових режимів земної кулі не дають підстав вважати, що Земля тільки випромінює так зване початкове тепло і поступово охолоджується. Радіоактивні процеси, які проходять у земній корі, підтримують у ній тепловий режим і, навіть, розігрівають верхні оболонки Землі. Результати геоастрономічних досліджень, які проводилися вченими різних країн, дають підстави припускати, що геотер­мічний градієнт, відомий для верхніх шарів земної кори, зберігається тільки до глибини близько 20 км, відтак зростання температури сповільнюється.

Розглянемо такий приклад. Радіус Землі (вздовж великої осі) дорівнює 6 377 397 м. Якщо представити збільшення температури за закономірністю, яку встановлено у верхніх шарах земної кори (всередньому 3, 3°С на 100 м або 1°С на 33 м), то в центрі земної кулі температура повинна була б становити 193 254°С. Це неможливо, оскільки земна куля не витримавши такої температури перетворилася б у газоподібну речовину. Навіть на поверхні Сонця, згідно з астрофізичними дослідженнями, температура не перевищує 9000°С.

Джерелами тепла в осадовій оболонці земної кори можуть слугувати різні фізико-хімічні процеси, які призводять до збільшення енергії (тобто пластових тисків у нафтогазових природних резервуарах). Температурні умови призводять до обезводнення мінералів з виділенням вільної води і вуглекислоти, розпаду органічної речовини та утворення газів, деструкції вже сформованої структури нафти та газу. У температурних умовах вуглеводневі сполуки збільшуються в об’ємі (особливо легкі фракції), що також підвищує пластовий тиск у нафтогазоносних покладах та природних резервуарах, що насичені водою з розчиненим у ній газом.

Процес виділення вільної води та вуглекислого газу при утворенні анортиту внаслідок метаморфічних процесів у вапняках з добавкою глинозему і кремнезему на глибинах з температурою понад 200°С добре описано П.Ф. Шпаком і Р.М. Новосілецьким. Вказані дослідники наводять широко розповсюджену в природі хімічну реакцію, яка протікає в високотемпературних умовах на контакті карбонатних порід і каолініту, у результаті якої утворюється анортит, вільна вода і вуглекислий газ. Останні два флюїдних компоненти можуть проникати у вищезалягаючі шари осадової товщі та утворювати в них аномально високі пластові тиски.

Можливість підвищення пластових тисків у покладах вуглеводнів за рахунок прогресую-чого катагенезу розсіяної органічної речовини у відкладах, а також деструкції вже сформованих нафт наводяться в роботах О.А. Калятина і Е.В. Кучерука, В.С. Малик-Пашаева, Є.М. Халімова, В.Н. Серегіною. Переконливі дослідні дані з утворення газів у процесі термічного розкладу органічної речовини у відкладах Тунгуської синеклізи наводяться в роботі Л.І. Жильцової, І.С. Старобінця та ін. Можливість підвищення пластових тисків за рахунок збільшення об’ємів газів у вуглеводневій суміші в природному резервуарі в високотемпературних умовах вивчалась нами на прикладі покладів вуглеводнів у відкладах Сахарської плити в Алжирі.

Нами зібрано інформацію про заміри температур у свердловинах продуктивних площ Внутрішньої та Зовнішньої зон Передкарпатського прогину, Дніпровсько-Донецької западини, Північного Криму і Керченського півострова.

Цікаво, що після зіставлення величин коефіцієнтів аномальності початкових пластових тисків (К_а) безпосередньо зі значеннями температур у продуктивних горизонтах цих областей (табл. 1) прямої залежності К_а від температури не виявлено. Це, на нашу думку, пов’язано, з тим, що в цитованих нафтогазових регіонах у разі збільшення об’ємів газів у покладах вуглеводнів відбувається інтенсифікація виходу летких компонентів із природних резервуарів у вміщуючі породи, які, як правило, володіють високою тріщинуватістю.

Відомо, що для приведення об’ємів газу до стандартних температурних умов (20 °C) користуються поправкою за температуру:

f= (1.1)

де T=273 °C;

t_ст = 20 °C;

t_пл – пластова температура.

Якщо в даному рівнянні t_ст замінити на t_G (температура в пласті при середньому значенні геотермічної ступені), то за допомогою поправки f_G:

f_G = (1.2)

можна привести об’єми газів до умов пластових температур в даному покладі.

Температуру в пласті при середньому значенні геотермічної ступені t_G можна вирахувати за формулою:

 

G_ср =(H-h_пост)/(t_G-t) (1.3)

звідси:

t_G=((H-h_пост) + (G_серt))/ G_сер (1.4)

де h _пост - глибина шару від поверхні з постійноютемперату рою для даної області;

t - середньорічна температура повітря на поверхні для даної області;

H - глибина пласта;

G _сер - середнє значення геотермічної ступені.

 

За допомогою величини, зворотної значенню температурної поправки, тобто:

(1.5)

в умовах аномально високих пластових температур можна врахувати збільшення об’ємів вуглеводневих газів і появу в природному резервуарі залишкового тиску.

Таким чином, температурний коефіцієнт _tбуде дорівнювати:

b_t=1/f (1.6)

 

Приклад:

Визначити температурний коефіцієнт, який враховує аномальні температурні умови для Долинського нафтового родовища:

- глибина H = 2303 м%

- заміряна температура в пласті t_пл = 66 °C;

- середнє значення геотермічної ступені для

Внутрішньої зони Передкарпатського прогину

G _ср =45.1 ;

- глибина залягання шару з постійною температурою

h _пост = 3 м;

- постійна температура в районах Внутрішньої зони

Передкарпатського прогину t = 9 °C.

 

1 Визначаємо середнє значення температури в пласті, яка відповідає середньому значенню геотермічної ступені для даної області:

t_G = °C

2 Підраховуємо значення поправки f_G:

f_G =

3 Визначаємо температурний коефіцієнт:

Таким чином, в природному резервуарі Долинського родовища нафти, який залягає на глибині 2303 м пластовий тиск може підвищитись в 1, 02 рази.