ре. Учебное пособие Издательство Нижневартовского государственного университета 2017

• Название: Учебное пособие Издательство Нижневартовского государственного университета 2017
• Дата: 26.10.2022
• Размер: 4.03 Mb.
• Имя файла: geokniga-fizika-plasta3.pdf
• Тип: Учебное пособие; #756139
• страница: 11 из 18

нефтей различных типов не превышает 10
-7
–10
-6
%. Лишь в некоторых тяжелых

120
нефтях смолисто-асфальтенового состава в ряде случаев его содержание повышено. Уран концентрируется в нефтях в основном в асфальтенах и смолах, содержание которых возрастает со степенью окисления нефти из-за инфильтрации вод (в том числе поверхностных, содержащих окисляющие реагенты. Поэтому с глубиной концентрация урана в нефти сначала снижается, а затем становится приблизительно постоянной (рис. 1.10.3). Содержание урана в нефти увеличивается с ростом ее сернистости, плотности и смолистости [21]. Таким образом, вклад в радиоактивность пород жидкой фазы сравнительно невелик.
1.10.4. Взаимодействие квантов с горными породами Проникающая способность квантов значительно больше проникающей способности частиц, потому что частица не несет зарядов (нет взаимодействия с электрическим полем других заряженных частиц, и ее масса меньше, чему и частиц.
Гамма-излучение ослабляется в породах из-за (рис. 1.10.4) [20]:
1) внутренней конверсии (для некоторых радиоактивных элементов) фотоэффекта
3) комптоновского эффекта
4) образования пар. При внутренней конверсии, характерной для пород, содержащих тяжелые ядра, кванты поглощаются электронной оболочкой того же атома с излучением электронов. Ослабление излучения в веществе породы (в широком пучке) приближенно описывается формулой [20]:
x
e
I
I



0
, где
0
, I
I
– интенсивность исходного излучения и после прохождения слоя породы толщиной х μ – суммарный коэффициент ослабления, слагающийся из коэффициентов ослабления излучения, которые учитывают фотоэффект, комптоновский эффект и процесс образования пар. Взаимодействие квантов с веществом показано на рисунке
1.10.4 [21].

Рис. 1.10.4. Взаимодействие квантов с веществом а) фотоэффект – лучи взаимодействуют с электронной оболочкой атома. Возникающий фотоэлектрон уносит часть энергии излучения. Жесткое излучение создает фотоэлектроны. Мягкое излучение – вторичное излучение б) комптоновский эффект – излучение взаимодействует с электроном, передавая ему часть энергии, и затем распространяется в горной породе при энергиях квантов 0,2–3,0 МэВ в) образование электрон-позитронных пар возникает при облучении жесткими квантами с энергией не менее 1,02 МэВ;наиболее вероятен для пород, содержащих тяжелые атомы (например, свинец)
1.10.5. Нейтронная активность горных пород Нейтроны – частицы с периодом полураспада 1 000 с, распадающиеся на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии 0,78 МэВ. Нейтроны легко проникают в ядра и взаимодействуют сними. Нейтроны разделяют на быстрые (с энергией Е = 2·10 5
–2·10 7
эВ, промежуточные (0,5–2·10 5
), резонансные (100), медленные (0,5), тепловые (0,025) и холодные (0,001). Нейтроны с энергией от 0,3–0,5 до 10 2
эВ называют надтепловыми. Энергетическим группам нейтронов соответствуют определенная скорость и другие характеристики.

Нейтроны рассеиваются и поглощаются в среде, заполняющей скважину, в обсадной колонне, цементе и породах. Рассеиваясь, нейтроны теряют энергию, переходят постепенно в тепловое состояние с энергией порядка 0,025 эВ и скоростью распространения 2 200 мс, а затем за время, исчисляемое долями миллисекунды, захватываются одним из ядер химических элементов. В процессе рассеяния изменяются направления движения нейтронов при столкновении их с ядрами элементов среды, и кинетическая энергия нейтронов уменьшается. Различают упругое и неупругое рассеяние нейтронов. Упругое рассеяние. При упругом рассеянии кинетическая энергия системы нейтрон – ядро неизменна дои после акта рассеяния. Однако если до рассеяния в лабораторной системе координат носителем кинетической энергии системы является нейтрон (ядро считается неподвижным, то после рассеяния кинетическая энергия перераспределяется между нейтроном и ядром отдачи в соответствии сих массами и углом рассеяния. Неупругое рассеяние. При неупругом рассеянии ядро, захватившее, а затем потерявшее нейтрон, остается в возбужденном состоянии. Возвращаясь в основное, оно испускает квант. Такая реакция наиболее вероятна в породах с тяжелыми элементами при энергиях нейтронов от нескольких килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт. При неупругом рассеянии нейтроны после нескольких соударений далее рассеиваются упруго. В результате как упругого, таки неупругого рассеяний нейтроны теряют энергию, и их скорость уменьшается. Поглощение При некоторых ядерных реакциях происходит поглощение, а иногда и размножение нейтронов. На первой стадии ядерных реакций образуются составные ядра из первоначального ядра и захваченного нейтрона. В этих ядрах между нуклонами перераспределяется кинетическая энергия, внесенная нейтроном. Практическое использование. Особенности взаимодействия с горными породами гамма-излучения и нейтронной активности горных пород широко используются при применении методов радиоактивного и нейтронного каротажа в геофизике. Исследования с помощью различных ядерных излучений проводятся при разведке и разработке месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых. Они позволяют определить тип и границы пород, залегающих на разных глубинах, находить продуктивные пласты, атак- же получать характеристики пластов плотность и проницаемость породы, насыщенность порового пространства нефтью, водой или газом, положение ВНК и ГНК и т.д.
Гамма-каротаж (ГК) – измерение естественной радиоактивности самих горных пород. Для этого в скважину опускается прибор с детектором лучей разрядный счетчик или фотоумножитель с кристаллом. Последний позволяет судить не только об общей интенсивности, но и об энергетическом спектре естественного излучения.
Гамма-гамма-каротаж (ГГК). В этом случаев скважину вместе с индикатором излучения опускается источник, между которыми помещается свинцовый фильтр. Это дает возможность оценить, насколько сильно лучи рассеиваются и поглощаются в породе. Источниками излучения служат Ra, Co и др. Свинцовый фильтр препятствует прямому попаданию лучей из источника в индикатор. Рассеяние и поглощение лучей слабо связаны с индивидуальными свойствами ядер, они определяются в основном плотностью среды, поэтому диаграммы ГГК расчленяют разрез залежи по плотности пород. Нейтронный каротаж (НК) дает более разнообразную информацию о ядерных свойствах горных пород, поскольку процессы взаимодействия нейтронов с веществом в гораздо большей степени отражают индивидуальные свойства ядер. При этом в скважину опускается источник быстрых нейтронов (типа Ra+Be или Po+Be), а на некотором расстоянии – индикатор нейтронного (нейтрон-нейтронный каротаж ННК) или излучения (нейтронный каротаж НГК). В обоих случаях скорость счета индикатора сильнее всего зависит от замедляющей способности среды, а именно от содержания водорода в породе. Так как водород в горной породе содержится в основном в жидкости (нефти и воде, заполняющей поровое пространство, то показания приборов ННК и НГК связаны монотонной зависимостью с величиной пористости пласта. Возможность различать нефть и воду в поровом пространстве,

несмотря на их практически одинаковые замедляющие свойства, обусловлена наличием солей в подземных водах при практически полном отсутствии их в нефти. Показания приборов против водонасыщенных участков при НГК выше, чем против нефтяных, и оценивается по числу квантов, испускаемых ядрами породы при захвате нейтронов, а при ННК – наоборот и оценивается по величине плотности тепловых нейтронов. Важнейшей особенностью всех методов является возможность обследования разреза горных пород через стальную колонну и затрубный цемент, благодаря большой проникающей способности как нейтронного, таки γ-излучения.
Вопросы для самоконтроля
1. Охарактеризуйте типы радиоактивных распадов.
2. Сформулируйте закон радиоактивного распада.
3. Что называется периодом полураспада
4. Что является единицей измерения радиоактивности
5. Назовите наиболее часто встречающиеся в горных породах радиоактивные элементы.
6. Что такое кларк радиоактивности
7. За счет каких процессов излучение ослабляется в горных породах. Дайте характеристику основным методам каротажа, основанным на взаимодействии гамма-излучения с горными породами и их нейтронной активности.

Часть 2 ФИЗИКА НАСЫЩЕННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕД
2.1. Физико-химические свойства природных флюидов
2.1.1. Виды залежей природных флюидов Виды нефтегазовых залежей различают не только по их строению, но и по содержанию в них флюидов, их соотношению и фазовому состоянию. В продуктивных отложениях земной коры содержатся вода и углеводороды. В зависимости от состава, температуры и давления они могут находиться в залежи в различных состояниях твердом, газообразном, жидком ив виде газожидкостных смесей. Если газа в залежи много по сравнению с объемом нефти, то газ располагается в виде газовой шапки, причем в ней содержится и часть жидких углеводородов нефти в виде паров. Кроме того, под высоким давлением в пласте плотность газа становится приблизительно равной плотности легких углеводородов, при этом и тяжелые углеводороды могут также частично растворяться в газе. Если газа в залежи мало по сравнению с объемом нефти, а давление достаточно высокое, то газ в нефти полностью растворяется (дом газа в 1 м нефти, и газонефтяная смесь залегает в однородном (жидком) состоянии. Поэтому в зависимости от условий залегания и количественного соотношения нефти и газа залежи подразделяются наследующие виды
1. Нефтяные (с различным содержанием нефтяного газа.
2. Газонефтяные (с большой газовой шапкой.
3. Чисто газовые.
4. Газоконденсатные (в них добывают светлые углеводороды с большим газовым фактором болеем газа на 1 тонну нефти.
5. Газогидратные.
6. Битумные.
Существование газогидратных залежей доказано в последние годы. Газ в таких залежах содержится в твердом (гидратном) состоянии. Это обусловлено свойством газа, при определенных давлениях и температуре соединяться с водой и образовывать гидраты. Районы распространения газогидратных залежей в основном приурочены к зоне распространения многолетней мерзлоты. Глубина их залегания 2–2,5 тыс. мВ битумных залежах углеводороды находятся в твердом или малотекучем состоянии. Но чаще всего четких границ между типами залежей нет, а в процессе разработки физическое состояние и свойства углеводородов постоянно меняются, поэтому необходимо знать все эти изменения в широком диапазоне давлений и температур.
2.1.2. Пластовые жидкости и газы Основными веществами, находящимися в земной коре, являются вода и углеводороды. В этих веществах могут содержаться в виде примесей многие элементы и химические соединения. В настоящее время установлено 425 углеводородных соединений, в которых соотношение углерода к водороду соответствует, а 0,02% в составе природных углеводородов составляют практически все элементы из таблицы Менделеева. Например, подземные воды почти всегда являются минерализованными, те. содержат в растворенном состоянии соли. В углеводородных газах, насыщающих горные породы, в качестве примесей могут находиться сероводород H
2
S, углекислый газ CO
2
, инертные газы. Общее количество солей в подземных водах колеблется от долей % до 40–50% повесу (рассолы, а в морской воде, например, содержится 3–4% соли. Наиболее распространены соли серной, угольной H
2
SO
3
, азотной HNO
3
кислот (тес металлами и др. Кроме того, вводах могут быть йод и бром. Основной ряд углеводородов, представленных в нефтяных и газовых залежах, соответствует порядковому номеру n = 18 ибо- лее. Все они при нормальных условиях (давлении 1 атм, температуре С) находятся в различных фазовых состояниях [11]:
 С Сметан, этан, этилен С
2
Н
4
) – газы
 С С (пропан, бутан, пропилен С
3
Н
6
, бутилен С
4
Н
8
) – в парообразном состоянии, при повышенных давлениях – жидкости
 С С – жидкости (бензиновая фракция
 n ≥ С – твердые соединения.

127
2.1.3. Состав и классификация нефтей Наиболее широко в нефти представлены углеводороды трех классов [11]:
1. Метановый парафиновый) ряд – алканы общего состава Углеводороды парафинового ряда характеризуются значительной химической инертностью. Это свойство обусловлено сохранением их в естественных условиях в нефтях в течение геологических периодов. Они присутствуют во всех фракциях. Содержание в нефти углеводородов метанового ряда составляет примерно 20%.
2. Полиметиленовые (нафтеновые) углеводороды – циклоалканы (например, С – циклопропан. Существуют углеводороды с такой же формулой C
n
H
2n
, ноне являющиеся циклическими – это так называемый олефиновый ряд (первый член C
2
H
4
– этилен. Они более химически активны, чем парафины, поэтому реже встречаются в природных нефтях. Также имеются ненасыщенные олефины диолефины с формулой, самый простой из них – ацетилен Циклопарафины стабильны в химическом отношении и присутствуют во всех природных нефтях. Содержание в нефти нафтеновых углеводородов колеблется от 25 до 75%.
3. Ароматические, те. углеводороды циклического строения с бензольным кольцом C
n
H
2n-6
. Эти соединения достаточно стабильны и часто встречаются в природных нефтях. Содержание в нефти ароматических углеводородов составляет 15–20%. Другие органические соединения Также в состав природных нефтей входят, хоть ив небольших количествах (0,1–2%), кислородные соединения, главным образом в состав нафтеновых и жирных кислот. Эти вещества способны входить в соединения со щелочами, содержащимися вводе, и образовывать растворимые вводе мыла – поверхностно активные вещества (ПАВ.
Асфальто-смолистые вещества (АСВ) – неотъемлемая часть большинства нефтей, они представляют собой гетерогенные (серо, кислород- и азотсодержащие) соединения различного строения и молекулярной массы. Их массовая доля в нефтяных фракциях от 4–5 дои более. Высокое содержание АСВ в нефтях

осложняет процесс их переработки, а содержание этих веществ в топливах и маслах способствует коксообразованию и нагаро- образованию. При отгонке из нефти легких фракций смолы и асфальтены остаются в виде густой смолистой массы (гудрона. Характерные особенности АСВ – значительные молекулярные массы (у смол она колеблется в интервале 465–1 080, у асфальте- нов – от 1 200 до 3 250). Эти соединения являются, как правило, полярными и парамагнитными. Парамагнетизм нефтей связан с асфальтеновой фракцией, при этом парамагнитной может быть почти каждая молекула в асфальтенах. В смолах и асфальтенах сосредоточены большая часть присутствующих в нефти гетеро- элементов и практически все металлы. Предполагается, что ас- фальтены имеют кристаллическую структуру с аморфными включениями, а окружающие их сольватные слои состоят из диамагнитных молекул смол. Смолы в чистом виде – жидкие или полужидкие вещества от темно-желтого до коричневого цвета с плотностью от 1 000–1 070 кг/м
3
. Именно смолам нефть обязана своей темной окраской. Особенность смол – способность превращаться в асфальтены (на свету и более интенсивно при нагревании и продувке воздухом. Асфальтены в отличие от смол набухают с увеличением объема и дают коллоидные растворы. Парафины (углеводородный ряд С
17
–С
35
) – бесцветная кристаллическая масса, нерастворимая вводе. Их плотность колеблется от 907 до 915 кг/м
3
при 15 С, температура плавления – 27–
71 С.
Церезины (углеводородный ряд С
36
–С
55
) – смесь изопарафи- нов, которые кристаллизуются в виде мелких игл, те. не так прочны как парафины, температура плавления 65–88 С. Большая проблема современной нефтедобывающей промышленности это борьба с отложениями парафинов в скважинах и призабойной зоне пластов. Неорганические соединения. Сернистые соединения содержатся почти во всех нефтях. В одних нефтях сера может находиться в свободном виде, в других – в виде соединений (сероводорода, меркаптанов (RSH), сульфидов, тиофенов и др. Наличие серы в нефтепродуктах – явление отрицательное снижается качество топлива, происходит коррозия оборудования.

Азотистые соединения – органического происхождения. Наибольшее количество азота находится в тяжелых остатках перегонки нефти. Наличие в бензинах азотистых соединений – явление нежелательное и вредное. В тоже время они могут быть использованы в виде добавок к смазочным маслам, как ингибиторы коррозии. Минеральные примеси ванадий, фосфор, калий, никель, йод и др. также присутствуют в природных нефтях. Содержащиеся в нефтях органические и неорганические соединения влияют на свойства поверхностей разделав пласте, а, следовательно, и на закономерности движения флюидов. По содержанию твердых углеводородов и примесей нефть разделяют, например, на такие классы [11]: По количеству серы По количеству смол По количеству парафина
Малосернистые
≤ 0,5%
Малосмолистые

18%
Малопарафиновые

1,5% Сернистые 0,5

2% Смолистые 18

35% Парафиновые 1,5

6%
Высокосернистые

2%
Высокосмолистые

35%
Высокопарафиновые

6% В настоящее время установлено, что в нефтях присутствуют более 60 элементов, из них около 30 относятся к металлам. Среди отдельных металлов, содержание которых превышает 10
-5
%, доминируют V – до 10
-2
%; Ni, Fe, Zn, Na, K, Ca, Mn – до 10
-3
%;
B – до 0,3%; Hg – 10
-5
%. Суммарное содержание в нефтях металлов в среднем колеблется от 0,01 до 0,04% (масс. Металлсодержащие соединения нефти и нефтяных систем по своей химической природе – это соли металлов с веществами кислотного характера, элементоорганические и ароматические соединения. Они образуют так называемые металпорфириновые комплексы, содержание которых особенно велико в высоковязких нефтях (до 20 мг г нефти) и битумах (до 1 мг г. Ва- надилпорфирины в составе асфальтенов вносят значительный вклад в поверхностную активность нефтей, при этом собственная поверхностная активность асфальтенов может быть небольшой.

130
2.1.4. Состав и классификация природных газов Природные газы состоят в основном из углеводородов гомологического ряда метана C
n
H
2n+2
и неуглеводородных компонентов углекислого газа (CO
2
); азота (N
2
); сероводорода (H
2
S); соединений, называемых меркаптанами (RSH), которые аналогичны построению спиртам а также ртути и инертных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона. Классификация углеводородных газов в зависимости от их состава может быть представлена тремя группами
 Сухой газ – метан, этан, этилен.
 Жидкий газ – пропан-бутановая фракция.
 Газовый бензин – пентан, гексан и т.д. В зависимости от объекта добычи природные газы подразделяют наследующие группы Газы из чисто газовых месторождений (сухой газ. Газы, добываемые вместе с нефтью – попутные нефтяные газы (смесь сухого, жидкого газов и газового бензина. Газы, добываемые из газоконденсатных месторождений, – смесь сухого газа и жидкого конденсата (тяжелых фракций бензина и более тяжелых масляных фракций.