Давление и температура в недрах земной коры

Давление в пласте возникает в результате действия на жидкость и газ, заключенные в нем, целого ряда сил, основной из которых во многих случаях является напор воды, поступающей в пласт из источника его питания.

После вскрытия подземного резервуара под влиянием пластового давления жидкость из пласта проникает в скважину, заполняя ее на определенную высоту. Зная высоту столба жидкости в скважине Н₁ (в м) и удельный вес жидкости - (в Г/см³), можно определить действительную величину пластового давления р_пл (в кГ/см²) по формуле

(1)

Многолетний опыт бурения скважин и разработки нефтяных и газовых месторождений показал, что пластовое давление постепенно и закономерно увеличивается с глубиной. Приращение давления (в кГ/см²) на 10 м глубины называется гидростатическим градиентом.

Измерения пластовых давлений на многих месторождениях позволили установить пределы изменения гидростатического градиента давления. Оказалось, что последний колеблется от 0,8 до 1,2 кГ/см² на каждые 10 м глубины. Средняя величина гидростатического градиента составляет 1 кГ/см на 10 м, что соответствует давлению столба воды с плотностью, равной единице. В связи с этим примерное ожидаемое пластовое давление р_ож.пл (в кГ/см²) на глубине Н, м составит

(2)

Формулой (2) приходится часто пользоваться при разведочном бурении на малоизученных площадях, когда нет возможности установить действительное пластовое давление по динамическому уровню жидкости в скважинах, так как последние еще не пробурены.

Ожидаемое пластовое давление, вычисленное по формуле (2), может существенно отличаться от действительного пластового давления, определенного по формуле (1).

В подтверждение этого суждения рассмотрим схему распределения уровней жидкостей в скважинах (рис. 7).

Рис.7 Схема распределения уровней жидкости в скважинах в зависимости от гидростатического давления

Независимо от места вскрытия пласта отметки уровней в скв. 1 и 2 будут находиться на одной высоте, т. е. лежать на одной воображаемой пьезометрической поверхности. Поскольку рассматриваемый пласт сообщается с поверхностью в области моря, пьезометрическая поверхность в этом случае совпадает с уровнем моря (при g= 1 Г /см³ во всех скважинах). Как видно из рис.7, ожидаемое и действительное пластовые давления в скв. 1 совпадают, так как h₁ является одновременно глубиной скважины и высотой уровня жидкости в ней. Таким образом,

(3)

В скв. 2 ожидаемое пластовое давление окажется значительно выше действительного пластового давления:

(4)

В случае расположения устья скважины ниже пьезометрической поверхности р_ож.пл < р_пл- Если не принять соответствующие меры, после вскрытия пласта скважина начнет фонтанировать.

Таким образом, в сообщающемся с поверхностью резервуаре разница между действительным и ожидаемым пластовым давлением зависит от расстояния между пьезометрической поверхностью и устьем скважины, а также от разницы между принятым и действительным удельным весом жидкости.

Следует отметить, что не всегда пластовое давление определяется только условиями притока жидкости в резервуар и отбора жидкости из него. Повышение или понижение пластового давления по сравнению с гидростатическим может быть обусловлено целым рядом других причин:

1) силой тяжести вышележащих горных пород (горным давлением);

2) тектоническими силами;

3) температурой;

4) химическими процессами.

Горное давление передается жидкости и газу подземного резервуара через минералы, слагающие горную породу. Следовательно величина передаваемого давления находится в прямой зависимости от механических свойств минералов. Чем больше уплотняется; порода под действием горного давления, тем меньше становится ее пористость. В результате горное давление в той или иной степени передается жидкости и газу, насыщающим поры пласта.

В сообщающемся с поверхностью резервуаре горное давление влияет на уровень жидкости, поэтому ранее приведенная методика; определения пластового давления для данного случая остается справедливой.

Если же резервуар изолирован, то находящиеся в нем жидкость и газ воспримут часть горного давления, что приведет к созданию анормального пластового давления, превышающего гидростатическое.

Тектонические силы могут привести к повышению или понижению пластового давления по сравнению с гидростатическим в результате перемещения подземного резервуара, имевшего в момент формирования нормальное пластовое давление.

Влияние температуры в основном сводится к разрушению сложных углеводородов, из которых состоит нефть и газ, с образованием большого числа простейших молекул. Это приводит к увеличению объема жидкости и газа и, следовательно, к росту пластового давления (в закрытом резервуаре).

Изменение температуры может вызвать химические реакции, которые приводят к цементации пластов. Результатом этого является снижение пористости, способствующее повышению пластового давления (в закрытом резервуаре).

Наличие анормально высоких пластовых давлений значительно осложняет условия бурения скважин и затрудняет разведку нефтяных и газовых месторождений. В целях предотвращения преждевременного выброса нефти и газа из залежи приходится во время бурения скважины применять утяжеленные промывочные растворы. Давлением столба этих растворов создается противодавление на пласт с анормально высоким давлением.

Температура в земной коре закономерно возрастает с глубиной. Глубина (в м), при которой температура пород повышается на 1° С, называется геотермической ступенью. Установлено, что геотермическая ступень колеблется в верхних слоях земной коры от 11 до 120 м; в среднем она составляет около 33 м. Геотермическая ступень рассчитывается по формуле

(5)

где Н — глубина замера температуры в м; h — глубина слоя с постоянной температурой в м; Т — температура на глубине Н в °С; t — среднегодовая температура воздуха на поверхности в °С.

Поверхность слоя с постоянной температурой называется изотермической поверхностью. Для характеристики изменения температуры с глубиной иногда пользуются не геотермической ступенью, а геотермическим градиентом, показывающим прирост температуры в °С на 100 м.

Геотермический градиент определяется по формуле

(6)

Знать температуру на различных глубинах земной коры и в продуктивной залежи крайне необходимо в процессе бурения скважин, при проектировании системы разработки нефтяных и газовых месторождений, а также во время их эксплуатации.