Горное и пластовое давление

Термобарические условия в природных резервуарах и нефтегазоносных комплексах

Давление является одним из основных источников энергии в природных резервуарах и нефтегазоносных комплексах и на этом основании является одним из основных факторов нефтегазообразования и нефтегазонакопления.

Различают два основных вида давлений: горное и пластовое.

Горное давление - это давление, под которым находится горная порода в какой-либо точке литосферы Земли. Оно создается суммарным действием геостатического и геодинамического давления.

Геостатическое или литостатическое давление обусловлено весом горных пород с насыщающими их флюидами в интервале от земной поверхности до точки измерения. В соответствии со средней плотностью осадочных пород, равной 2,31 г/см³, градиент геостатического давления составляет 0,0231 МПа на 1 м толщины пород.

Геодинамическое или геотектоническое давление связано с тектоническими процессами, вызывающими напряжения в горных породах, и имеет две составляющие: вертикальную и горизонтальную.

Пластовое давление - это давление, под которым находятся жидкости и газы, заполняющие поровое пространство пород-коллекторов. Пластовое давление определяет силу, движущую флюиды в природных резервуарах и является важным параметром, характеризующим энергетический потенциал залежей нефти и газа в недрах, а также определяет их фазовое состояние и состав.

Вода в пласте может находиться в статических и динамических условиях, то есть быть подвижной или неподвижной, но в обоих случаях наряду с понятием «пластовое давление», как синоним, используют и другое понятие: «гидростатическое давление».

Гидростатическое давление определяется весом столба неподвижной жидкости высотой от точки измерения до поверхности жидкости или пьезометрической поверхности.

Пьезометрическая (напорная или потенциометрическая) поверхность представляет собой поверхность равновесия, на которой устанавливаются уровни подземных вод в различных скважинах, вскрывших один и тот же водоносный горизонт. В статических условиях пьезометрическая поверхность имеет горизонтальное положение, а в динамических условиях – наклонное. Наклон указывает на направление движения вод от области питания к области разгрузки.

Для приблизительных расчетов, когда не известен характер изменения плотности флюидов по вертикали, используется величина условно гидростатического давления. Это - пластовое давление равное весу воображаемого столба пресной воды с плотностью 1 г/см³ и высотой от точки залегания исследуемого пласта до земной поверхности (устья проектируемой скважины). Положение пьезометрической поверхности при этом не учитывается.

Вертикальный градиент условно гидростатического давления (при плотности воды 1 г/см³) равен 0,01 МПа/м. Фактически значение градиента пластового давления может достигать 0,013 МПа/м.

В природе существуют инфильтрационные и элизионные гидродинамические системы. В инфильтрационных системах источником питания и создания напора являются воды земной поверхности, фильтрующиеся в недра под действием силы тяжести, то есть напор в них образуется под действием гидростатической нагрузки этих вод.

Инфильтрационные системы могут находиться в двух состояниях: статическом и динамическом. В статических инфильтрационных системах нет области разгрузки вод, поэтому их движение в пласте отсутствует и пьезометрическая поверхность расположена горизонтально на уровне области питания. Однако чаще подземные воды имеют область разгрузки и поэтому находятся в динамическом состоянии. Областями разгрузки вод служат области связи ПР с дневной поверхностью: выходы пласта на земную поверхность или в акваторию пересечение пласта разрывным нарушением, работа эксплуатационных скважин. В таких случаях пьезометрическая поверхность наклонена в направлении движения пластовых вод. Её положение определяется линией, соединяющей точки выхода водоносного пласта на земную поверхность в областях питания и разгрузки вод. Таким образом, при наличии движения вод, устанавливается гидродинамическое пластовое давление.

 

 

Рисунок – Схема распределения приведенных давлений (П) при горизонтальном и наклонном положении пьезометрической поверхности в инфильтрационных системах

 

Для определения величины напора подземных вод или определения наклона пьезометрической поверхности М.А. Жданов в 1933 году предложил использовать приведенные или пьезометрические давления, которые рассчитываются от какого-либо уровня приведения – уровня моря, водонефтяного контакта, или от какой-либо условной горизонтальной поверхности до пьезометрической поверхности данного пласта (см. рисунок, условная поверхность). Приведенные давления в одних и тех же скважинах по разным поверхностям сравнения отличаются друг от друга, но перепады давлений, определяющие величину напора и направления движения жидкостей в пласте, остаются неизменными.

На рисунке видно, что приведенные давления (напоры) для пласта I во всех скважинах равны, поскольку пьезометрическая поверхность горизонтальна, а для пласта II они уменьшаются от скважины 1 к скважине 3, то есть по направлению движения подземных вод.

Во флюидоупорах природных резервуарах выделяется поровое давление. Поровое давление (Р_пор) это давление, действующее на флюиды в поровом пространстве пород, не обладающих эффективной пористостью и имеющих весьма низкую проницаемость. Поровое давление может расти и в пределе достигать значений литостатического давления. В этом случае аномально высокое поровое давление (АВП_оД) приводит к гидроразрыву пород, разрушению стенок скважин и прихвату бурового инструмента.

Однако аномально высокое давление может возникать и в породах, обладающих эффективной пористостью, то есть в породах-коллекторах.

Таким образом, пластовое давление обусловлено давлением флюидов заполняющих пустотное пространство породы. Оно определяет силу упругого сжатия флюидов, которая оказывает давление на вмещающие породы или их скелет. Следовательно, пластовое давление препятствует процессу сжатия пород под действием горного давления. Разность между горным Р_г и пластовым Р_пл давлением показывает величину эффективного давления сжатия скелета горной породы или уплотняющего давления Р_у:

 

Р_у = Р_г - Р_пл.

 

Уплотняющее давление растет в породах-коллекторах при разработке нефтяных и газовых залежей. Иногда за счет этого коллектора теряют свою эффективную проницаемость.