Физические свойства нефти и газа

1.3.1. Происхождение нефти и природного газа.

Выяснить происхождение жидких и газообразных углеводородов, которые до образования их залежей претерпели многочисленные из­менения и перемещения в недрах земли под влиянием различных фак­торов (температуры, давления и др.), затруднительно. Сегодня сущест­вуют в основном две теории происхождения нефти и природного газа - это теория органического происхождения и неорганического.

i Основоположником гипотезы органического происхождения неф­ти и природного газа был М.В.Ломоносов. Он еще в 1759 г. объяснил происхождение нефти разложением в недрах земли без доступа возду­ха органических остатков растительных и животных организмов под воздействием высокой температуры, давления, бактерий и катализато­ров (глины, известняка). В результате этих действий в недрах земли образуются углеводороды, которые являются основными составными растями нефти и газа.

Действительно благоприятные условия для накопления органиче-; ских остатков и преобразования их в углеводороды создаются в боло­тах, озерах, лагунах, а также в замкнутых морских бассейнах. Этот [процесс захоронения происходит в больших масштабах в периоды [длительного погружения их дна и мощного накопления над ними ми­неральных осадков. Органические вещества, попадающие в осадок, состоят из жиров, белков и углеводов. В природе из этих веществ мо­гут образоваться различные углеводороды.

На качество образующихся нефтей оказывают радиоактивность вмещающих пород, а также физико-химические условия накопления и преобразования осадков в породу.

Довольно полную теорию неорганического (абиогенного) проис­хождения нефти создал русский ученый, химик Д.И. Менделеев. Он обратил внимание на то, что многие залежи нефти приурочены к складчатым зонам там, где пласты, составляющие земную кору, под­вергаются наибольшим нарушениям.

В результате таких нарушений в земной коре образуются трещи­ны, в которые вода могла проникать в глубь коры на большое расстоя­ние, где в большом количестве находятся углеродистые металлы (главным образом углеродистое железо). В результате действия воды на расплавленное железо образуются газообразные углеводороды, ко­торые мигрируя затем под действием тектонических процессов, соз­дающих огромные давления, вверх по трещинам до тех пор, пока не задерживаются в остывших поверхностных слоях земли, образуя в пористых, трещиноватых породах скопления жидких и газообразных углеводородов.

В настоящее время эта гипотеза нашла полное подтверждение ученых многих стран. Действительно существует давно обнаруженная

совершенно прозрачная нефть, не имеющая никаких органических ос- татков. Залежи нефти и газа выявлены и в кристаллических порода, на­пример, на нефтегазовом месторождений «Белый Тигр» во Вьетнаме.

Гипотеза абиогенного происхождения нефти позволяет по новому взглянуть на известные критерии поиска нефтегазоносных структур и предложить новый подход к поиску и разработке нефтяных и газовых месторождений, а также пересмотреть вопрос о количестве извлекае­мых запасов углеводородов на земле.

Рис. 1.6. Использование горючих материа­лов при стрельбе - в XVII в.

1.3.2. Нефть - это горючая маслянистая жидкость, преимущественно темно-коричневого цвета с зеленоватым, фиолетовым оттенками. Встречается нефть черного, светло-коричневого и даже белого, про­зрачного цвета. Нефть известна человеку с древнейших времен. Ар­хеологи установили, что ее добывали и использовали уже за 5 - 6 тыс. лет до нашей эры. В разных странах ее называли по разному, однако большинство названий в переводе на русский язык означает «земля­ное» или «горное масло». Современное название происходит от слова «нафата», что на языке народов Малой Азии означает «просачивать­ся». Выделение природного горючего газа получили у древних наро­дов наименование «вечных огней». Упоминания о нефти мы находим в различных древних рукописях и книгах дошедших до нас. Наиболее ранее упоминание о бакинской нефти относятся к временам Александ­ра Македонского, греческий истории и философ Плутарх рассказывает об источниках нефти на реке Амударье.

Интересные сведения при­ведены в книге «Нефть и неф­тепродукты - военный аспект», в которой сообщается, что ис­тория сохранила описание и первых военных конфликтов в местах добычи нефти и битума в районе Мертвого моря.

О неком консервационном смазочном материале «Anthipa- thia», смеси свинцовых белил, гипса и жидкой смолы, упомина­ет древнеримский писатель Пли­ний Старший (23 - 79 г.н.э.).

В первые века нашей эры нефть вошла и в арсеналы ар­мий различных народов и стран.

Самое первое упоминание об огненном оружии приводится в хрониках китайской династии Тхань (Китай, Тан-шу). В 645 г.н.э. при осаде Ляодуна использовалось оружие под названием «огонь», от действия которого в городе погибло около 10 тыс. человек.

Подлинно сенсационным открытием древности стало изобретение ««греческого огня». Новый вид оружия значительно укрепил военную мощь стран, которые обладали секретом его приготовления. Неоцени- мую услугу оказал античный напалм Византии в VII в. при нападении арабов на Константинополь. Из летописных источников известно, что византийские воины выиграли множество сражений, используя «гре- ческий огонь». Состав «греческого огня» хранился в строгой тайне. Разгадать ее стремились многие, но удалось это лишь арабским алхи- микам спустя почти 400 лет после катастрофы у стен Константинополя. По их свидетельству, в основе «греческого огня» была смесь серы и селитры с добавлением нефти.

С тем же периодом было связанно и первое трагическое знакомство древнеславянских воинов с «греческим огнем». В книге А. Нечеволодова «Сказание о русской земле» (СПб, 1913) сказано, что во время похода князя Игоря в 941 г. на Константинополь его флот был сожжен «от неведомого доселе греческого огня, который был как есть молока, что на небесах». Через два века, в 1184 г., русским воинам в сражении на реке Хорол вновь пришлось встретиться с огненным оружием, но тогда они сумели доказать, что воинское искусство, смелость и отвага могут творить подлинные чудеса.

Вот как об этом сказано в Ипатьевской летописи: «....двинулся окаянный и безбожный и трижды проклятый Кончак с бесчисленными полками половецкими на Русь, надеясь захватить и пожечь огнем го­рода русские, ибо некого мужа басурманина, который стрелял живым огнем...».

Нефть состоит в основном из углерода 79,5 - 87,5 % и водорода 14,5 %. В ее состав также входят от 0,5 до 8 % серы, кислорода и азота и в незначительных количествах ванадий, никель, железо, медь, магний, барий, калий, натрий, бор, мышьяк, галлий и др.

В природных условиях нефть состоит из метановых, нафтеновых и ароматических углеводородов и всегда содержит в себе растворен­ные твердые и газообразные углеводороды и другие, органические и минеральные примеси.

Нефти с преобладанием сложных углеводородов (тяжелые нефти) содержат меньшее количество бензиновых и масляных фракций. Такая нефть малоподвижная, что затрудняет её добычу и последующую транспортировку. Следует помнить, что давление, которое пластовые флюиды (нефть, газ) оказывают на вмещающие породы, называется пластовым. Это важнейший параметр, характеризующий энергию неф­тегазоносных пластов.

Углеводороды, в молекулах которых содержатся более 17 атомов углерода, относятся к твердым веществам. Это парафины и церезины, содержащиеся в тех или иных количествах во всех нефтях. Углеводо­роды в виде природных углеводородных соединений (включая в ос­новном нефти) входят в состав горной смолы (битум, асфальт).

На земной поверхности из нефти выделяются газы и частично твердые углеводороды - в основном парафин. Выделяемые газы назы­ваются нефтяными или попутными.

Нефти также различаются по содержанию смол в мазуте: менее 8 % - малосмолистые; 8 - 25 % смолистые; более 25 % - высокосмолистые.

По содержанию парафина нефти подразделяются на безпарафиновые (до 1 % парафина); слабопарафинистые (1 - 2 %) и парафинистые (более 2 % парафина).

По содержанию серы нефти различают малосернистые (до 0,5 % серы), сернистые (0,5 - 1,9 % серы) и высокосернистые (более 1,9 % серы). Большое содержание серы осложняет процесс добычи нефти, вследствие значительной коррозии металла и ее токсичности. Нефти разделяют также и по качественным показателям - содержанию в них бензиновых, керосиновых и масляных фракций.

Физические свойства нефтей (плотность и вязкость) меняются в самых широких пределах. Так при стандартной температуре в 20°С плотность нефти колеблется от 700 до 980 кг/м³, а в отдельных случаях даже достигает 1000 кг/м³. Легкие нефти до 750 кг/м³ содержат боль­шое количество бензиновых и масляных фракций и поэтому они наи­более ценные. Плотность нефти замеряется ариометром.

Нефти обладают самой различной вязкостью, которая значитель­но превышает вязкость воды. При повышении температуры вязкость уменьшается. Поэтому вязкость нефти в пластах всегда ниже, чем на поверхности Земли.

Физические свойства нефти в пластах отличаются от той, которая поднята на поверхность из-за своей дегазации.

В условиях пластовых давлений и температуры в нефти постоян­но находится какое-то количество растворенного газа (примерно 100-400 м³ на 1 м³ нефти). Этот газ резко снижает плотность и вяз­кость нефти, увеличивая ее сжимаемость и объем.

Нефть легко воспламеняющаяся жидкость; нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения нефти от воды и растворенной в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

1.3.3. Природный газ по своей химической природе сходен с нефтью. Он также является смесью различных углеводородов: метана, этана, пропана, бутана, пентана и гексана.

Самым простым по химическому составу углеводородным соеди­нениям является метан (СН+).

Метан называют еще болотным газом, так как он образуется при разложении любых органических веществ и выделения его наблюда­ются на болотах. Метан легче воздуха в три раза и легко воспламеня­ется в естественных горючих газах и газах, сопровождающих залежи. нефти, метан является главной составляющей частью и его содержание в горючих газах составляет 85 -5- 95,5 %.

В природном газе, кроме углеводородов встречаются в различных количествах азот, углекислый газ, сероводород и редко в небольшом количестве окись углерода и водород. Довольно часто, но также в не­больших количествах в природном газе содержится инертные газы: гелий, аргон, ксенон.

Наибольшая роль в составе природного газа принадлежит метану, азоту и углекислому газу.

Растворимость газа в пластовой воде достигает 2 - 3 м³ на 1 м воды. Интересно знать, что при большом объеме газовой фазы, суще­ственно превышающей объем контактирующей с ней нефти, последняя при росте давления испаряется в газовую фазу, получающаяся смесь называется газоконденсатом, если содержание конденсата превышает 50 см³ на 1 кг нефти.

Отношения углерода к водороду для газа составляет 3 % 4,8, то для нефти - 5,8 7,7 раза.

1.3.4.Газовые гидраты природные - гидраты природных газов в зем­ных недрах. Газовые гидраты образуются в земной коре при опреде­ленных термодинамических и геологических условиях. Кроме темпе­ратуры и давления на условия гидратообразования влияют: наличие газа и воды в достаточных для гидратообразования количествах, мине­рализация порового раствора, состав газа - гидратообразователя, по­ристость (трещиноватость), проницаемость и минеральный состав вмещающих пород. Газовые гидраты могут залегать в толщах многолетнемерзлых пород (М.М.П), на дне морей и океанов.

Газогидраты - это молекулярная связь вещества, состоящего из 80 % воды и 20 % метана. Молекулы метана находятся внутри молеку­лы воды.

На суше обнаружено 2% газогидратов, 98% - образуются в моряж и океанах в одно м гидрата содержится 164 м³ метана.

Предварительная оценка учеными запасов газогидратов на нашей планете показывает их двойное превосходство над запасами природно­го газа.

1.3.5. Пластовые воды нефтяных и газовых месторождений.

Пластовой водой называется вода, которая находится в одном пласте с нефтью (газом).

Пластовые воды подразделяются на краевые (контурные), подош­венные и пропластковые. Также выделяются верхние и нижние водо­носные пласты, залегающие соответственно выше или ниже нефтяного (газового) пласта. Эти воды являются обычными спутниками нефти и газа. Количество пластовой воды, поступающие из пласта вместе с нефтью и газом, не постоянное и все время увеличивается по мере раз­работки залежи, а к концу разработки может достигать 95 % и более.

Кроме газов в пластовых водах всегда содержатся в растворенном виде минеральные соли. Минерализация колеблется в широких преде­лах, и измеряют ее в граммах на литр.

По степени минерализации пластовые воды разделяют на:

- пресные (содержание солей менее 1 гр/л);

- солоноватые (минерализация 1-5-10 гр/л.);

- солёные (10 50 гр/л.);

- рассолы (минерализация более 50 гр/л.).

В пластовых водах в основном содержатся соли натрия, калия и магния, а из газов - углеводородные газы, углекислый газ, азот, серо­водород и гелий.

Для вод нефтяных месторождений характерно содержание йода и брома, а из органических веществ — анионы и мыла нафтеновых и жирных кислот, фенолы и др. соединения. Иод и бром в некоторых случаях подвержены промышленному извлечению. Пластовые воды характеризуются также водородным показателем рН.

Необходимо знать также, что такое водонефтяной (ВНК) или во- догазовый контакт (ВГК). Это поверхность, отделяющая в пласте неф­тяную (газовую) залежь или оторочку газовой (газоконденсатной) за­лежи от контактирующих с ними напорных пластовых вод. Граница эта не является резкой.

1.4. Геологический разрез скважины и методы его изучения

Геологичексий разрез - геологическое описание и графическое изображение вертикальной последовательности залегания горных по­род с указанием их мощности и возраста. Геологический разрез явля­ется частью составляемого геолого-технического наряда на бурение скважины. В процессе бурения геологический разрез скважины уточ­няется. Возраст горных пород зависит от последовательности образо­вания напластований в земной коре. На основании данных об органи­ческих остатках, составе, строении и расположении пластов относи­тельно друг друга в вертикальном и горизонтальном направлениях разработана стратиграфическая шкала.

Стратиграфия - это раздел исторической геологии, охватываю­щий вопросы изучения последовательности образования горных пород и определения положения их в нормальном разрезе земной коры. Бо­лее узко, стратиграфия - расчленение пород по возрасту. Все время формирования земной коры делится на эры, эры на периоды, периоды - на эпохи, эпохи на века. В течение всего времени формирования зем­ной коры происходило образование различных горных пород. В осад­ках, из которых впоследствии образовались осадочные породы, захо ронялись остатки различных организмов, живших на Земле во время накопления осадков. Каждая эра, период, эпоха и век имеют свои на­именования. Со стратиграфией тесно связана тектоника. занимающаяся изучением условий залегания горных пород и наруше­ний в их залегании. Движения земной коры вызываются процессами, происходящими внутри Земли. Основным видом движений земной коры (называемых тектоническими) являются вертикальные поднятия и опускания участков или областей земной коры, происходящие по­всеместно и постоянно с различной интенсивностью. Другими видами тектонических движений являются процессы смятия слоев в складки, образования в земной коре заломов, надвигов и т.д.

Тектонические движения (процессы) играют важную роль при образовании нефтяных и газовых месторождений. Для составления основного технико-экономического документа на строительство сква­жины - технического проекта - нужно иметь геологические разрезы, а для определения места ее заложения - структурные карты.

Структурные карты - графическое изображение в горизонталях поверхности кровли или подошвы условно выбранного пласта или го­ризонта. Структурные карты представляют собой наилучшую форму изображения геологического строения недр и их тектоники и широко используются в нефтепромысловом деле. Для построения структурной карты используют данные структурного бурения скважин глубиной до 1200 -1500 м. подготовка к изучению разрезов скважины начинается с выбора места ее заложения, составления (геолого-технический наряд) ГТН, в котором указываются категория скважины (табл. 1.1), задачи бурения проектные геологический разрез и конструкция скважины, а также данные о предполагаемых интервалах осложнений отбора керна, параметрах бурового раствора и т.д. Для изучения геологических раз­резов скважин применяются также геофизические методы. При изуче­нии физических свойств горных пород геофизическими методами в скважину на кабеле спускают прибор, в котором помещают источник, создающий в среде (около прибора) физическое поле, и индикатор (датчик) или только индикатор, если изучается естественное физиче­ское поле в скважине. По результатам замеров физических параметров с помощью интерпретации диаграмм определяют коллекторские свой­ства пород.

Таблица 1.2

В комплекс геофизических методов входят электрические, меха­нические, радиоактивные, термические и геохимические методы (см. табл. 1.3).

Геологическое строение месторождения выявляется общей корре­ляцией разрезов скважин: сопоставление отдельных разрезов скважин с целью выделения одновозрастных отложений; выявления последова­тельности залегания пластов; изменения их мощности и литологических характеристик по площади месторождения. Детальная корреля­ция - сопоставление разрезов в пределах продуктивной части разреза. Типовой разрез характеризует средний разрез месторождения.

Геологический профиль - графическое изображение строения недр в каком-либо выбранном вертикальном сечении.

Таблица 1.3