Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изучение капиллярно-экранированных залежей УВ и перспективы их поисков в Западной Сибири

ВАК РФ 04.00.17, Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Павлова, Ирина Владимировна, Тюмень

Тюменский государственный нефтегазовый университет

На правах рукописи

Павлова Ирина Владимировна

Изучение капиллярно-экранированных залежей УВ и перспективы их поисков в Западной Сибири

Специальность 04.00.17 - Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель д.г.-м.н. Ю.Я.Большаков

Тюмень 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................4

Глава 1. Роль капиллярных явлений в процессе формирования

залежей нефти и газа...........................................................................................7

1.1. Явление капиллярности в природе...................................................7

1.2. Капиллярные явления в нефтегазовой геологии...........................12

1.3. Механизм образования капиллярных барьеров в

коллекторах гидрофильного и гидрофобного классов.......................23

1.3.1 .Воздействие капиллярных сил на нефть и газ в

гидрофильных и гидрофобных коллекторах.......................................29

1.3.2. Капиллярные барьеры 1-го и 2-го рода. ....................................31

Глава 2. Методика исследований капиллярных свойств горных пород......37

2.1. Определение капиллярных давлений............................................37

2.2. Оценка смачиваемости горных пород...........................................52

Глава 3. Капиллярно-экранированные залежи углеводородов в Западной Сибири.............................................................................................57

3.1. Залежи гидрофильного класса, экранированные капиллярными барьерами первого рода...............................................58

3.2. Залежи гидрофильного класса, экранированные капиллярными барьерами второго рода................................................87

3.3. Залежи гидрофобного класса..........................................................94

3.4. Капиллярно-экранированные залежи смешанного класса..........97

Глава 4. Пути практической реализации полученных результатов...........100

4.1. Повышение эффективности поисково-разведочных работ при изучении залежей углеводородов,

находящихся под контролем капиллярных барьеров.........................100

4.1.1. Способ выявления барьеров 1-го рода......................................102

4.1.2. Способ выявления барьеров 2-го рода......................................116

4.2. Повышение эффективности разведки сложно построенных месторождений, контролируемых капиллярными барьерами первого рода.............................................119

4.3. Повышение эффективности разведки сложно построенных месторождений, контролируемых капиллярными барьерами второго рода.............................................129

Заключение......................................................................................................149

Список литературы..........................................................................................152

Введение

Актуальность работы. Проблема повышения эффективности поисково-разведочных работ на нефть и газ в настоящее время связана с введением в фонд разрабатываемых месторождений группы неантиклинальных залежей углеводородов (литологические, стратиграфические, эпигенетические и гидродинамические). Повышенная сложность форм заполнения ловушек водой, нефтью и газом затрудняет разведку месторождений, снижает точность оценок перспективных и промышленных запасов нефти и газа, а также приводит к излишним непроизводительным затратам и экологическим потерям. Для повышения точности решения задач разведки сложно построенных месторождений необходимо привлечение и рассмотрение данных о дополнительных факторах, участвующих в процессах нефтегазонакопления. В связи с этим изучение методики определения капиллярных давлений, оценка смачиваемости горных пород, выявление капиллярно-экранированных залежей и их картирование являются актуальными.

Цель и задачи исследований. Цель - увеличение ресурсов углеводородов Западной Сибири за счет нетрадиционных капиллярно-экранированных залежей нефти и газа. Задачи:

- выбор методики определения капиллярных давлений горных пород;

- оценка смачиваемости пород-коллекторов и пород-флюидоупоров для выделения гидрофильного, гидрофобного и смешанного типов;

систематизация капиллярно-экранированных залежей углеводородов Западной Сибири;

- усовершенствование методики картирования применительно к сложно построенным месторождениям.

Фактический материал. В основу работы положены результаты анализов керна горных пород Западно-Сибирского нефтегазоносного

бассейна по определению капиллярных давлений и смачиваемости (371 анализ) по методике, разработанной в Институте проблем освоения Севера СО РАН, фондовые материалы Главтюменьгеологии и Томскнефтегазгеологии, опубликованные работы.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие разработки:

1. Типы залежей углеводородного сырья, экранированных капиллярными барьерами.

2. Методика прогнозирования капиллярно-экранированных залежей углеводородов.

3. Обоснование открытия новых залежей в Тюменской области.

Научная новизна. Выполненные исследования в области

воздействия капиллярных сил на формирование и размещение залежей углеводородов по актуальности и масштабности относятся к числу пионерных. Их научная особенность - во всех предыдущих геологических исследованиях явлению капиллярности не уделялось должного внимания. Изучение капиллярных давлений и смачиваемости горных пород, типизация месторождений позволили по-новому подойти к вопросу формирования месторождений с точки зрения теории капиллярности и к их картированию и, как следствие, к оценке перспектив нефтегазоносности.

Практическая ценность. Привлечение данных о капиллярности, использованные совместно с традиционными геолого-геофизическими параметрами, повышает эффективность поисково-разведочных работ на сложно построенных месторождениях и позволяет выявлять нетрадиционные скопления нефти и газа, углеводородные ресурсы которых могут изменяться от незначительных до гигантских.

Апробация. Защищаемые положения и основные результаты работ докладывались на XV Всероссийском совещании по подземным водам

Сибири и Дальнего Востока. По положениям диссертации опубликовано 4 работы в центральной печати. Материалы и результаты исследований реализованы в двух научно-исследовательских отчетах (ИПОС СО РАН, 1995, 1996).

Работа выполнена в Институте проблем освоения Севера СО РАН. В процессе исследований и оформления диссертации автор пользовалась советами и поддержкой докторов г.-м.н. Г.П.Мясниковой, В.М.Матусевича, И.И.Нестерова, А.Р.Курчикова, д.т.н. В.Р.Цибульского. Полезные советы были даны автору главным геологом ЮКОС ГЕО О.В.Бакуевым. Всем названным специалистам автор выражает глубокую искреннюю благодарность. Особая признательность за постоянную поддержку - научному руководителю д.г.-м.н. Ю.Я.Большакову.

Глава 1. Роль капиллярных явлений в процессе формирования залежей

нефти и газа

1.1. Явление капиллярности в природе

Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи (15 в.), затем Б. Паскалем (17 в.) и Д. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П.Лапласа (1806), Т.Юнга (1805), С.Пуассона (1831), Дж.Гиббса (1875) и И.С.Громеки (1879, 1886).

Капиллярные явления - это физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственно паром.

Искривление поверхности ведет к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления

Ар = р! - р2 = 2о! 2/г,

где а! 2 - поверхностное натяжение на границе двух сред; р1 и р2 - давление в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2. В случае вогнутой поверхности жидкости (г<0) давление в ней понижено по сравнению с давлением в соседней фазе: р!<р2 и Ар < 0. Для выпуклых поверхностей (г>0) знак Ар меняется на обратный.

Капиллярное давление создается силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведет к появлению составляющей, направленной

внутрь объема одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности (г = оо) такая составляющая отсутствует и Ар = 0.

Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием межмолекулярных сил и внешних сил (в первую очередь силы тяжести).

В простейшем случае, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости ограниченный объем жидкости, не соприкасающейся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.

Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкой (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой). При некомпенсированной силе тяжести картина существенно меняется. Маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Ее свободная поверхность оказывается практически плоской, т.к. силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы.

Свойства систем, состоящих из многих мелких капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их образования во многом определяются кривизной поверхности частиц, т.е. капиллярными

явлениями. Не меньшую роль капиллярные явления играют и при образовании новой фазы: капелек жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при кипении жидкостей, зародышей твердой фазы при кристаллизации.

При контакте жидкости с твердыми телами на форму ее поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твердого тела. На рис. 1.1 показан профиль поверхности жидкости, смачивающей стенки сосуда. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твердого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создает отрицательное (капиллярное) давление, которое в каждой точке искривленной поверхности в точности уравновешивает давление, вызванное подъемом уровня жидкости. Гидростатическое давление в объеме жидкости при этом изменений не претерпевает.

Если сближать плоские стенки сосуда таким образом, чтобы зоны искривления начали перекрываться, то образуется вогнутый мениск -полностью искривленная поверхность. В жидкости под мениском капиллярное давление отрицательно, под его действием жидкость всасывается в щель до тех пор, пока вес столба жидкости (высотой Ь) не уравновесит действующее капиллярное давление Ар. В состоянии равновесия

(Р1 - р2) ё И = Ар = 2ст 12/г,

где р] и р2 - плотность жидкости 1 и газа 2, g - ускорение свободного падения.

Рис. 1.1 Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей стенки (вода в стеклянном сосуде и капилляре).

Рис. 1.2. а - перемещение жидкости в капилляре под действием разности капиллярных давлений (г! > г2); б - стягивающее действие капиллярного давления.

Это выражение Д.Жюрена (О.Оипп, 1684 - 1750), определяет высоту Ь капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки капилляра. Жидкость, не смачивающая поверхность, образует выпуклый мениск, что вызывает ее опускание в капилляре ниже уровня свободной поверхности (Л11<0).

Искривление свободной поверхности жидкости под действием внешних сил обусловливает существование т.н. капиллярных волн (ряби на поверхности жидкости).

Движение жидкости в капиллярах может быть вызвано разностью капиллярных давлений, возникающей в результате различной кривизны поверхности жидкости. Поток жидкости направлен в сторону меньшего давления: для смачивающих жидкостей - к мениску с меньшим радиусом кривизны (рис. 1.2а).

Пониженное, в соответствии с уравнением Кельвина, давление пара над смачивающими менисками является причиной капиллярной конденсации жидкостей в тонких порах.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки (рис. 1.26). Это может приводить к значительной объемной деформации высокодисперсных систем и пористых тел - капиллярной контракции. Так, например, происходящий при высушивании рост капиллярного давления приводит к значительной усадке материалов.

Многие свойства дисперсных систем (проницаемость, прочность, поглощение жидкости) в значительной мере обусловлены капиллярными явлениями, т.к. в тонких порах этих тел реализуются высокие капиллярные давления.

1.2.Капиллярные явления в нефтегазовой геологии

Характер проявления капиллярных сил при миграции и аккумуляции УВ не только зависит от типа нефтегазоносного резервуара, но и определяется его литологическим составом, строением, термобарическими параметрами, историей его развития и т.д. Капиллярные силы, их вариации и направленность действия в реальных поровых водонасыщенных средах при нахождении в них углеводородов зависят от свойств контактирующих жидкостей и газов, от свойств вмещающих пород, пластовых температур и давлений. Свойствами пород, регулирующими действие капиллярных сил, считаются смачивающие способности поверхности емкостного пространства, значения удельных поверхностей, размеры и форма пор или трещин, извилистость проводящих каналов, природа пустот в породе, минеральный состав, структура, проницаемость, пористость породы и др.

Одним из важных свойств породы, определяющих характер распределения в ней флюидов под воздействием капиллярных сил является смачиваемость. Гидрофильность и гидрофобность поверхности поровых каналов определяют знаки капиллярных давлений в контактирующих водной и углеводородной фазах и тем самым — направленность действия капиллярной энергии.

Если порода гидрофильна, то вода проявляет тенденцию занимать относительно малые поры породы, тогда как нефть предпочтительнее занимает крупнопоровое пространство. В гидрофобной системе в распределении воды и нефти наблюдается обратная картина, и поведение нефти в гидрофильном коллекторе имеет большое сходство с поведением воды в гидрофобной поровой среде.

От характера смачиваемости зависит и форма водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов, а также проницаемость, значение показателя насыщения, определяющего количественное соотношение углеводородов и воды в поровом пространстве коллектора и, следовательно, запасы нефти и газа.

Смачиваемость коллектора контролирует распределение в нем пластовой воды и углеводородов, которые обладают резко различной электропроводностью, поэтому электрические свойства поровой среды зависят от характера смачиваемости. В гидрофильной породе пластовой воде энергетически выгоднее занимать относительно малые поры, где она образует непрерывную пленку на всей поверхности емкостного пространства, снижая электрическое сопротивление породы. Изменение смачиваемости влечет за собой изменения в распределении пластовых флюидов, а это в свою очередь ведет к изменениям электрического сопротивления породы. В гидрофобном коллекторе пластовая вода может распределиться в виде изолированных глобул, окруженных нефтью, которая действует как изолятор. В этом случае минерализованная вода становится неспособной проводить электрический ток по всему пласту вследствие прерывистости ее распределения.

Смачиваемость может изменяться в широких пределах: от сильно гидрофильной до сильно гидрофобной.

Теоретически смачиваемость для случая вытеснения воды нефтью должна определяться наступающим контактным углом смачивания. Для гидрофильных пород величина этого угла не превышает 90° и обычно равна 30°, для гидрофобных она составляет более 90°.

К классу гидрофильных пород в нефтегазовой геологии относят породы, охарактеризованные контактными углами, изменяющимися в диапазоне О — 75°, к гидрофобным — с контактными углами величиной

105 —155°. А породы с величиной контактного угла 75 —105° выделены

в промежуточный класс.

Из выше изложенного следует, что понятие "гидрофильность — гидрофобность" горной породы является в какой-то степени условным. При этом под гидрофобной подразумевают горную породу, которая нефтью смачивается предпочтительнее, чем водой, но это вовсе не значит, что она ни в коей мере не предр�