Учебное пособие по Геологии. Учебное пособие для студентов i курса Разработал В. Г. Юхименко Ижевск 2007 Содержание введение
 Скачать 6.88 Mb.
|
|
Физические свойства газов Газовые смеси характеризуются массовыми или молярными концентрациями компонентов. Для характеристики газовой смеси необходимо знать ее среднюю молекулярную массу, среднюю плотность или относительную плотность по воздуху. 1. Молекулярная масса природного газа где М i - молекулярная масса i-го компонента; X i - объемное содержание i-го компонента, доли ед. Для реальных газов обычно М = 16-20. 2. Плотность газа ρ г рассчитывается по формуле где Vм - объем 1 моля газа при стандартных условиях. Обычно значение ρ г находится в пределах 0,73-1,0 кг/м 3 Чаще пользуются относительной плотностью газа по ρ г.в, которая определяется по следующей формуле: , где ρ г- - плотность газа; ρ в -плотность воздуха при тех же давлении и температуре Уравнения состояния газов Уравнения состояния газов используются для определения многих физических свойств природных газов. Уравнением состояния называется аналитическая зависимость между давлением, объемом и температурой. Состояние газов в условиях высоких давления и температуры определяется уравнением Клайперона - Менделеева: pV = NRT, где р - давление; V - объем идеального газа; N - число киломолей газа; R - универсальная газовая постоянная; Т -температура. Эти уравнения применимы для идеальных газов. Идеальным называется газ,силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают. Реальные углеводородные газы не подчиняются законам идеальных газов. Поэтому уравнение Клайперона - Менделеева для реальных газов записывается в виде pV=ZNRT, где Z — коэффициент сверхсжимаемости реальных газов, зависящий от давления, температуры и состава газа и характеризующий степень отклонения реального газа от закона для идеальных газов. 1. Коэффициент сверхсжимаемости Z реальных газов-это отношение объемов равного числа молей реального V и идеального V и газов при одинаковых термобарических условиях (т.е. при одинаковых давлении и температуре): Z = V/V и 108 Значения коэффициентов сверхсжимаемости наиболее надежно могут быть определены на основе лабораторных исследований пластовых проб газов. n P пкр P кр i X i , i 1 где Pкр i , и Tкр i - критические давление и температура i-го компонента; Xi - доляi-го компонента в объеме смеси(в долях единицы). 2. Влагосодержание природных газов связано с тем,что природные газы и газоконденсатные смеси контактируют с пластовыми водами различных форм и вследствие чего содержат определенное количество паров воды. Концентрация водяных паров в газе зависит от его состава, давления, температуры. Объемный коэффициент пластового газа bгпредставляет собой отношение объема газа в пластовых условиях Vпл.г к объему того же количества газа Vст, который он занимает в стандартных условиях, можно найти с помощью уравнения Клайперона - Менделеева: bг = Vпл.г/Vст = Z(Pcт Тпл/(Рпл Тст), где Рпл, Тпл, Pcт, Тст -давление и температура соответственно в пластовых и стандартных условиях. Значение величины bг имеет большое значение, так как объем газа в пластовых условиях на два порядка (примерно в 100 раз) меньше, чем в стандартных условиях. Газоконденсат Конденсатом называют жидкую углеводородную фазу,выделяющуюся из газа при снижении давления. В пластовых условиях конденсат обычно весь растворен в газе. Различают конденсат сырой и стабильный. Сырой конденсат представляет собой жидкость,которая выпадает из газа непосредственно в промысловых сепараторах при давлении и температуре сепарации. Он состоит из жидких при стандартных условиях УВ. т.е. из пентанов и высших (C 5+высш ), в которых растворено некоторое количество газообразных УВ-бутанов, пропана и этана, а также H 2 S и других газов. Важной характеристикой газоконденсатных залежей является конденсатно-газовый фактор,показывающий содержание сырого конденсата(см 3 )в1м 3 отсепарированного газа. На практике используется также характеристика, которая называется газоконденсатным фактором -это количество газа(м 3 ),из которого добывается1м 3 конденсата. Значение газоконденсатного фактора колеблется для месторождений от 1500 до 25 000 м 3 /м 3 Стабильный конденсат состоит только из жидких УВ-пентана и высших (C 6+высш )Его получают из сырого конденсата путем дегазации последнего. Температура выкипания основных компонентов конденсата находится в диапазоне 40-200°С. Плотность конденсата в стандартных условиях изменяется от 0,6 до 0,82 г/см 3 и находится в прямой зависимости от компонентного углеводородного состава. Газы газоконденсатных месторождений делятся на газы с низким содержанием конденсата (до 150см 3 /м 3 ), средним (150-300 см 3 /м 3 ), высоким (300-600 см 3 /м 3 ) и очень высоким (более 600 см 3 /м 3 ). Большое значение имеет такая характеристика газоконденсатных залежей, как давление начала конденсации,т.е. давление, при котором конденсат выделяется в пласте из газа в виде жидкости.Если при разработке газоконденсатной залежи в ней не поддерживать давление, то оно с течением времени будет снижаться и может достигнуть величины меньше давления начала конденсации. При этом в пласте начнет выделяться 109 конденсат, что приведет к потерям ценных УВ в недрах. Это надо учитывать при подсчете запасов и определении показателей проектов разработки. О свойствах газа и газоконденсата в пластовых условиях обычно судят на основании данных об их свойствах в стандартных условиях и расчетов без отбора и анализа глубинных проб газа. Основой таких расчетов являются результаты моделирования фазовых превращений углеводородной смеси в лабораторных установках. Однако следует учитывать, что этот метод недостаточно точен. 9.3. Происхождение нефти и газа Происхождение нефти В развитии взглядов на происхождение нефти выделяют 4 этапа: 1) донаучный период; 2) период научных догадок; 3) период формирования научных гипотез; 4) современный период. Ярким донаучных представлений являются взгляды польского натуралиста XVIII в. каноника К.Клюка. Он считал, что нефть образовалась в раю, и является остатком благодатной почвы, на которой цвели райские сады. Примером взглядов периода научных догадок является высказанная М.В.Ломоносовым мысль о том, что нефть образовалась из каменного угля под воздействием высоких температур. С началом развития нефтяной промышленности вопрос о происхождении нефти приобрел важное прикладное значение. Это дало мощный толчок к появлению разных научных гипотез. Среди многочисленных гипотез происхождения нефти наиболее важными являются: органическая и неорганическая. «Отцом» органической гипотезы считается академик И.М.Губкин. Ученый считал, что исходным материалом для образования нефти является органическое вещество морских илов, состоящее из растительных и животных организмов. Старые слои довольно быстро перекрываются более молодыми, что предохраняет органику от окисления. Первоначальное разложение растительных и животных остатков происходит без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий. Далее пласт, образовавшийся на морском дне, опускается в результате общего прогибания земной коры, характерного для морских бассейнов. По мере погружения осадочных пород давление и температура в них повышаются. Это приводит к преобразованию рассеянной органики в диффузно рассеянную нефть. Наиболее благоприятны для нефтеобразования давления 15…45 МПа и температуры 60…150 0 С, которые существуют на глубинах 1,5…6 км. Далее, под действием возрастающего давления, нефть вытесняется в проницаемые породы, по которым она мигрирует к месту образования залежей. Отцом» неорганической гипотезы считается Д.И.Менделеев. Он подметил удивительную закономерность: нефтяные месторождения Пенсильвании (штат США) и Кавказа, как правило, расположены вблизи крупных разломов земной коры. Зная о том, что средняя плотность Земли превышает плотность земной коры, он сделал вывод, что в недрах нашей планеты в основном залегают металлы. По его мнению, это должно быть железо. Во время горообразовательных процессов по трещинам-разломам, рассекающим земную кору, вглубь нее проникает вода. Встречая на своем пути карбиды железа, она вступает с ними в реакцию, в результате которой образуются оксиды железа и углеводороды. Затем последние по тем же разломам поднимаются в верхние слои земной коры и образуют нефтяные месторождения. 110 К гипотезам современного периода относится «магматическая» гипотеза ленинградского геолога-нефтяника, профессора Н.А.Кудрявцева. По его мнению, на больших глубинах в условиях очень высокой температуры углерод и водород образуют углеродные радикалы СН, СН 2 и СН 3 . Затем по глубинным разломам они поднимаются вверх, ближе к земной поверхности. Благодаря уменьшению температуры, в верхних слоях Земли эти радикалы соединяются друг с другом и с водородом, в результате чего образуются различные нефтяные углеводороды. Н. А. Кудрявцев и его сторонники считают, что прорыв нефтяных углеводородов ближе к поверхности происходит по разломам в мантии и земной коре. Реальность существования таких каналов доказывается широким распространением на Земле классических и грязевых каналов, а также кимберлитовых трубок взрыва. Следы вертикальной миграции углеводородов от кристаллического фундамента в слои осадочных пород обнаружены во всех скважинах, пробуренных на большие глубины,— на Кольском полуострове, в Волго- Уральской нефтеносной провинции, в Центральной Швеции, в штате Иллинойс (США). Обычно это включения и прожилки битумов, заполняющих трещины в магматических породах; в двух скважинах обнаружена и жидкая нефть. До недавнего времени общепризнанной считалась теория органического происхождения нефти, согласно которой «черное золото» залегает на глубине 1,5...6 км. Белых пятен в недрах Земли на этих глубинах почти не осталось. Поэтому теория органического происхождения не дает практически никаких перспектив в отношении разведки новых крупных месторождений нефти. Иное дело теория неорганического происхождения нефти. В недрах нашей планеты имеется достаточное количество исходного материала для образования углеводородов. Источниками углерода и водорода считаются вода и углекислый газ. Их содержание в 1 м 3 вещества верхней мантии Земли, составляет 180 и 15 кг соответственно. Благоприятная для реакции химическая среда обеспечивается присутствием закисных соединений металлов, содержание которых в вулканических породах доходит до 20 %. Образование нефти будет продолжаться до тех пор, пока в недрах Земли есть вода, углекислый газ и восстановители (в основном закись железа). Таким образом, теория неорганического происхождения нефти не только объясняет факты, ставящие в тупик «органиков», но и дает нам надежду на то, что запасы нефти на Земле значительно больше разведанных на сегодня, а самое главное— продолжают пополняться. В целом можно сделать вывод, что обе теории происхождения нефти достаточно убедительно объясняют этот процесс, взаимно дополняя друг друга. А истина лежит где- то посредине. Происхождение газа. Метан широко распространен в природе. Он всегда входит в состав пластовой нефти. Много метана растворено в пластовых водах на глубине 1,5...5 км. Газообразный метан образует залежи в пористых и трещиноватых осадочных породах. В небольших концентрациях он присутствует в водах рек, озер и океанов, в почвенном воздухе и даже в атмосфере. Основная же масса метана рассеяна в осадочных и изверженных породах. Напомним также, что присутствие метана зафиксировано на ряде планет Солнечной системы и в далеком космосе. Широкое распространение метана в природе позволяет предположить, что он образовался различными путями. 111 На сегодня известно несколько процессов, приводящих к образованию метана: биохимический; термокаталитический; радиационно-химический; механохимический; метаморфический; космогенный. Биохимический процесс образования метана происходит в илах,почве,осадочных горных породах и гидросфере. Известно более десятка бактерий, в результате жизнедеятельности которых из органических соединений (белков, клетчатки, жирных кислот) образуется метан. Даже нефть на больших глубинах под действием бактерий, содержащихся в пластовой воде, разрушается до метана, азота и углекислого газа. Термокаталитический процесс образования метана заключается в преобразовании в газ органического вещества осадочных пород под воздействием повышенных температуры и давления в присутствии глинистых минералов, играющих роль катализатора. Этот процесс подобен образованию нефти. Первоначально органическое вещество, накапливающееся на дне водоемов и на суше, подвергается биохимическому разложению. Бактерии при этом разрушают простейшие соединения. По мере погружения органического вещества вглубь Земли и соответственного повышения температуры деятельность бактерий затухает и полностью прекращается при температуре 100 °С. Одновременно происходит переход сложных органических соединений (остатки живого вещества) в более простые углеводороды и, в частности, в метан, под воздействием возрастающих температуры и давления. Важную роль в этом процессе играют естественные катализаторы — алюмосиликаты, входящие в состав различных, особенно глинистых пород, а также микроэлементы и их соединения. Чем же отличается в таком случае образование метана от образования нефти? Во- первых, нефть образуется из органического вещества сапропелевого типа —осадков морей и шельфа океанов, образованных из фито- и зоопланктона, обогащенных жировыми веществами. Исходным для образования метана является органическое вещество гумусового типа, состоящее из остатков растительных организмов. Это вещество при термокатализе образует, в основном, метан. Во-вторых, главная зона нефтеобразования соответствует температурам горных пород от 60 до 150°С, которые встречаются на глубине 1,5...6 км. В главной зоне нефтеобразования наряду с нефтью образуется и метан (в сравнительно малых количествах), а также его более тяжелые гомологи. Мощная зона интенсивного газообразования соответствует температурам 150...200°С и больше, она находится ниже главной зоны нефтеобразования. В главной зоне газообразования в жестких температурных условиях происходит глубокая термическая деструкция не только рассеянного органического вещества, но и углеводородов горючих сланцев и нефти. При этом образуется большое количество метана. Радиационно-химический процесс образования метана протекает при воздействии радиоактивного излучения на различные углеродистые соединения. Замечено, что черные тонкодисперсные глинистые осадки с повышенной концентрацией органического вещества, как правило, обогащены и ураном. Это связано с тем, что накопление органического вещества в осадках благоприятствует осаждению солей урана. Под воздействием радиоактивного излучения органическое вещество распадается с образованием метана, водорода и окиси углерода. Последняя сама распадается на углерод и кислород, после чего углерод соединяется с водородом, также образуя метан. 112 Механохимический процесс образования метана заключается в образовании углеводородов из органического вещества (углей)подвоздей- ствием постоянных и переменных механических нагрузок. В этом случае на Рис. 40. Типы пустотного пространства. контактах зерен минеральных пород Межзерновое пустотное пространство (поры) в коллекторах образуются высокие а — хорошо отсортированных, б — плохо отсортированных, е — с цементирующим материалом; г — пустоты напряжения, энергия выщелачивания; которых и участвует в преобразовании органического вещества. Метаморфический процесс образования метана связан с преобразованием угля под воздействием высоких температур в углерод. Данный процесс есть часть общего процесса преобразования веществ при температуре свыше 500 °С. В таких условиях глины превращаются в кристаллические сланцы и гранит, известняк—в мрамор и т. п. Какое место занимает каждый из этих процессов в общем, процессе образования метана? Считается, что основная масса метана большинства газовых месторождений мира имеет термокаталитическое происхождение. Образуется он на глубине от 1 до 10 км. Большая доля метана имеет биохимическое происхождение. Основное его количество образуется на глубинах до 1...2 км. 9.4. Породы-коллекторы и их свойства Коллектором называется горная порода,обладающая такими геолого-физическими свойствами, которые обеспечивают физическую подвижность нефти или газа в ее пустот- ном пространстве. Порода-коллектор может быть насыщена как нефтью или газом, так и водой. Породы с такими геолого-физическими свойствами, при которых движение нефти или газа в них физически невозможно, называются неколлекторами. Коллекторские свойства горных пород Содержание и накопление воды в породе зависит от ее коллекторских свойств, т. е. от способности вмещать и пропускать через себя воду и любую другую жидкость или газ. Емкостная способность пород, т. е. способность вмещать жидкость или газ, определяется их пористостью. Пористостью т называется отношение суммарного объема порV п к общему объему породы V общ , выраженное в процентах т = (V п /V общ ) 100), 113 Пористость обломочных пород зависит от их гранулометрического состава, под которым понимают размеры и форму слагающих породу частиц. Пористость осадочных пород, особенно песков и алевритов, тем выше, чем более однородны по размеру и лучше окатаны отдельные песчинки. И наоборот, чем разнообразнее по размеру частицы, слагающие породу, и чем меньше они окатаны, тем меньше пористость породы. Происхождение порового пространства в породе определяется особенностями ее формирования и последующего развития (рис. 40). В зависимости от этих процессов различают поры первичные и вторичные. |