Давление и температура в недрах земной коры

Давление в пласте до начала его разработки (начальное пластовое давление) зависит от глубины залегания пласта и приближенно может быть определено по формуле где /Опл.нач — начальное пластовое давление, Па; Н — глубина залегания пласта, м; р — плотность жидкости, кг/м³; g — ускорение свободного падения тела, м/с².

Обычно пластовое давление больше или меньше вычисленного по формуле (3), так как оно определяется не только с учетом условий притока жидкости в пласт и отбора ее. Повышение или понижение пластового давления по сравнению с гидростатическим обусловливается целым рядом причин: силой тяжести вышележащих горных пород (горным давлением), тектоническими силами, температурой, химическими процессами.

Горное давление передается жидкости и газу, заключенным в пласте, через минералы, слагающие горную породу. Следовательно, передаваемое давление 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.

Горное давление влияет на уровень жидкости в пласте, сообщающемся с поверхностью. Поэтому приведенная методика определения пластового давления для данного случая остается справедливой.

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

Тектонические силы могут привести к повышению или понижению пластового давления по сравнению с гидростатическим в результате перемещения пласта.

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 пласте).

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

Пластовое давление определяется при помощи спускаемых в скважину манометров.

Если известна плотность жидкости или газа, заполняющих скважину, то пластовое давление можно определить расчетным путем.

В том случае, когда скважиной вскрывается пласт за контуром нефтеносности (газоносности) и если она заполнится пластовой водой, пластовое давление при закрытом устье определится по следующей формуле:

где р_из и р_у— давление в пласте и на устье скважины, Па.

Если в такой скважине открыть устье, то вода будет вытекать на поверхность, т. е. скважина начнет фонтанировать.

В скважине, в которой уровень жидкости не доходит до устья, пластовое давление составит.

где Hi — высота столба жидкости в скважине, м Пластовое давление, определенное в какой-либо точке пласта, характерно для пласта в целом только при пологом его залегании. В том случае, когда углы падения крыльев пласта значительные, пластовое давление на этих участках будет большим, а в замковой части (седле) — меньшим.

Поэтому для удобства давление в пласте обычно относят к какой-либо одной плоскости. За такую плоскость принимают уровень моря или условная плоскость — первоначальное положение водонефтяного контакта в пласте. Пластовое давление, отнесенное к этой условной плоскости, называется приведенным пластовым давлением.

Если пластовое давление в скважинах 1 и 2 (рис. 12) равно соответственно pi и р2, то приведенное давление в них (в Па), отнесенное к первоначальному уровню водонефтяного контакта, равно.

где h и hi — расстояния от забоев скважин до уровня водонефтяного контакта, м; р_п и р_в — плотности нефти и воды, кг/м³.

Температура на. поверхности Земли, зависящая главным образом от освещенности ее участков Солнцем, изменяется в значительных пределах. Однако колебания температуры на поверхности Земли воспринимаются на расстоянии всего лишь десятков метров земной коры.

Границей разделения влияния внешнего (излучение Солнце) и внутреннего тепловых полей Земли является слой с постоянной отрицательной или положительной температурой.

Ниже слоя с постоянной отрицательной температурой господствуют отрицательные температуры и, следовательно, залегают многолетнемерзлые породы, толщина которых на некоторых участках достигает 700 м. Области залегания многолетнемерзлых пород занимают около 10% поверхности всей суши Земли, а в СССР около 45% территории.

Ниже слоя с постоянной положительной температурой условия залегания пород и их состояние обусловлены положительной температурой.

Температура в земной коре ниже слоя с постоянной температурой закономерно возрастает с глубиной. Расстояние по вертикали (в м) в земной коре (ниже зоны постоянной температуры), на котором температура горных пород повышается на 1 °C, называется геотермической ступенью. Установлено, что значение геотермической ступени колеблется в верхних слоях земной коры в пределах 11—120 м, среднее ее значение составляет около 33 м. Для характеристики изменения температуры с глубиной иногда пользуются геотермическим градиентом — приростом температуры в °С горных пород на каждые 100 м углубления от зоны постоянной температуры. В среднем геотермический градиент равен 3° С.

Рис. 12. К определению пластового давления

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.