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1、第九章 油气层的压力和温度 压力和温度不但在油气生成 油气运移 聚集过程中 起着极为重要的作用 而且在油 气田开发过程中也是至关重要的 地层压力和 地层温度是开发油气田的能量 也是油气田开 发过程中重要的基础参数 油气藏地层压力和 温度的高低不仅决定着油气等流体的性质 还 决定着油气田开发的方式 油气开采的技术特 点与经济成本 以及油气的最终采收率 因此 研究压力和温度 在油气田勘探和开采中具 有重要意义 1 第1节 油 气层的压力 一 地层压力及其来源 1 概念 1 地层压力 Pf 作用于岩层孔隙空间内流体上 的压力称为地层压力或孔隙流体压力 对于油 气藏来说 则分别称为油层压力和气层 压力
2、 2 静水压力 PH 地层中孔隙空间内地层水重量 产生的水柱压力 方向 垂直向下 PH H w g P 静水压力 Pa H 测压点的水柱高度 水压头 m w 水的密度 kg m3 g 重力加速度 m s2 2 3 地静压力 上覆岩层重量所产生的岩石压力 4 上覆负荷压力 S 上覆岩层和孔隙空间内流 体的总重量所产生的压力 5 压力系数 实测的地层压力与按同一地层深度 计算的静水压力的比值 辽东湾地区地层压力与埋深关系 正常地层压力 在一般地质条件 下 地层压力与静水压力相当 即压力 系数 1 异常地层压力 偏离静水压力的地 层孔隙流体压力 异常高压 地层压力高于静水压力 压力系数大于1 也称压
3、力过剩 异常低压 地层压力低于静水压力 压力系数小于1 也称压力不足 3 6 动水压力 也叫水动力 同一岩层具有不同海拔高度的供水 区和泻水区 由于水位面倾斜引起地层水流动而产生 的压力 是二次运移的主要动力之一 7 压力梯度 地层压力随深度的增加率 有两种压 力梯度 一是静水压力梯度 即静水压力随深度的增加率 一般105Pa 10m 二是动水压力梯度 沿水流方向上 单位距离的压 力降 4 2 地层压力来源 主要有两个来源 1 地层孔隙空间内地层水重量所产生的静水压力 2 上覆岩层重量所产生的压力 即地静压力 一般情况下 地层与外界联系 即开放体系 地静压 力主要由岩石骨架承担 岩层连通孔隙中
4、的流体只承担 地层水重量产生的静水压力 地层压力为静水压力 此 时为正常地层压力 在一些比较特殊的情况下 例如封闭的体系 如孤立 的砂岩透镜体 或流体排出不畅通的体系 随着上覆负 荷增加 地层孔隙中的流体不能及时排出 地层孔隙中 的地层水不但要承受静水压力 还要承受一部分地静压 力 就产生超压 5 其它来源 流体膨胀力 岩石弹性力等 在一个盛满水的圆筒内装有几层带孔的金属板 金属板之间由金属 弹簧来支撑 金属弹簧模拟岩石骨架 在圆筒顶部施加一负荷S 当水排出畅通时 C 负荷S由弹簧承担 流体压力为静水压力 当水排出不畅通时 B 负荷S一部分由弹簧承担 一部分由筒内的 水承担 流体压力大于静水压
5、力 当水不排出时 A 负荷S全部由筒内的水承担 弹簧高度保持不变 流体压力远大于静水压力 6 二 原始油层压力 一 原始油层压力及其分布 原始油层压力 在未投入开发之前油气层内流体 所承受的压力 一般用第一口或第一批探井试油时 所测得的压力数值代表 在正常的地质条件下 具有统一水动力系统的油气 藏 原始油层压力主要源于 流体压力 其分布规律遵循 连通器的原理 即在同一压 力系统中流体处于平衡的条 件下 任何深度上的压力大 小 取决于该深度上流体液 柱的高度和流体的密度 现 以背斜油气藏为例 说明其 原始油层压力的分布状况 7 下图是一具有原生气顶的背斜油气藏 油层一侧在海拔 100米的地表出
6、露 具供水区 油层的另一侧 或因岩性尖灭 或因断层的封隔未能出露地 表 故无泄水区 因此油气藏的测压面是以供水露头海拔 100米 为基准 的水平面 勘探初期 钻了4口探井 各井的原始地层压力可按静水压力公式 求得 1号井钻在油藏的含水部位 井底海拔高度为 500米 井内液柱高h1 600 米 若地层水的密度为 w 1 0 103kg m3 则其原始地层压力为 P01 h1 w g 600 1 0 103 10 6 106Pa 6 MPa 油 水界面的海拔高度为 700 米 则油 水界面上的原始地层 压力为1号井的原始地层压力值 加上1号井至油 水界面这段水 柱重量所产生的压力 即 P0w P0
7、1 h0 w g 6 106 700 500 1 0 103 10 8MPa 10zhi 8 2号井钻在油藏的含油部位 井底海拔高度为 500米 若原油密度 为 o 0 85 103kg m3 则其原始油层压力要从油 水界面上的压力减 去自油 水界面至该井井底这一段油柱的压力 即 P02 P0w h0 o g 8 106 700 500 0 85 103 10 6 3 MPa 在2号井内 相当于6 3Mpa的油柱高度为 h2 P02 o g 6 3 106 0 85 103 10 741 2米 由于2号井内液面海拔为 500 741 2 241 2米 低于井口海拔 350米 故2号井的原油不能
8、自喷 4号井也是钻在油藏的 含油部分 井口海拔为 100米 井底海拔与2号 井的相同 故其原始油 层压力相等 井内液面 海拔也应为241 2米 高 于该井的井口海拔 100米 故4号井为自喷井 9 3号井钻在油气藏的气顶上 因天然气的密度随温度和压力 的变化而变化 故其压力不能从油 气界面上的压力直接导出 而必须根据井口最大关井剩余压力来计算 但是 因气体的 密度小 因此气柱高度变化对气井压力影响较小 所以当气顶 的高度不大时 可用油 气或气 水界面上的原始油层压力代表气 藏 或气顶 内各处的压力 油 气界面的海拔高度为 400米 3 号井的原始油层压力等于2号井的原始油层压力减去该井至油 气
9、界面 海拔 400米 间的油柱压力 即 P03 p0g h3 o g 6 3 106 500 400 0 85 103 10 5 45 MPa 10 二 原始油层压力的测定 1 实测法 在油气田勘探阶段 常以第一批探井打开油层后 下入 井底压力计 关井待油层压力恢复稳定后 所测得的油层中 部压力值 即为原始油层压力 2 试井法 油田开发初期 可根据试井资料绘制油层压力恢复曲线 求得 一般根据井口最大套管压力计算 原始油层压力 Po Pmax H O g P 原始油层压力 Pa 最大套管压力 H 油层深度 即油柱高度 m o 油的密度 kg m3 g 重力加速度 m s2 时间 套管压力 11
10、三 原始油层异常压力 原始油层异常压力 偏离静水压力的地层孔隙流体压力 或称压力异常 一 异常压力判断方法 1 压力系数判断法 1 有异常高压 0 1Mpa 10m时 属高异常地层压力 当压力梯度Gp H1 折算压头差 Hb H2 H1 即在折算压差 的作用下 液体从I层向下流 往 层 测压面2 测压面1 18 动水环境 储集层供 泄水区的海拔高程不同 测压面呈倾斜状 因而 折算压力都沿测压面倾斜方向有规律地递减 例如图中A B两点的绝对地层压力 PA hA wg PB hB wg hA hB PAhB h2 P A P B 所以尽管A点的地层压 力小于B点 但由于A点 折算压力大于B点 水
11、从A点流向B点 19 所以 在动水压力作用下 储集层内的流体沿测压 面倾斜的方向流动 并不决定于层内的绝对地层压力 而是受折算压力所控制 无论各点的绝对地层压力 如何 水的流动方向总是从折算压力高向折算压力低 的方向流动 因此 应将测得的各井油层压力换算成折算压力 后 绘制出折算压力等值线图作为油田开发动态分析 的重要资料 20 第2节 油气层的温度 一 地下温度及其来源 一 基本概念 1 地温梯度 在地表上层 恒温带 以下 深度 每增加100米地温的增加值 GT 100 T t H h 式中 GT 地温梯度 100m T 深度为H处的地层温度 H 测温点的深度 t 恒温带的温度 h 恒温带的
12、深度 地球的平均地温梯度为3 100m 称为正常地温 梯度 低于此值的为地温梯度的负异常 冷盆地 高于此值的为地温梯度的正异常 热盆地 21 由于地球热力场的非均质性 地温梯度在各地不 一 如松辽盆地 4 0 100m 四川盆地川南地区 2 4 100m 地温梯度的高低 对油气生成 运移 聚集乃至 开采等都有很大的影响 2 地温级度 地温每升高1 时 深度的增加值 实 际上是地温梯度的倒数 DT H h T t 22 二 地温的影响因素 1 大地构造性质 影响地温的因素很多 其中起主导作用和全局性影 响的是大地构造性质 1 所处的构造部位 是决定区域地温分布的最重要 的控制因素 从全球来看 在
13、板块构造的不同部位 反映了截然 不同的地温特征 如大洋中脊的高地温 海沟部位的低 地温 海盆部位的一般地温 在稳定的古老地台区具有 较低的地温 而在中新生代裂谷区则具有较高的地温 2 地壳厚度 对地温也有重要的影响 地壳厚度薄 地温及地温梯度一般较高 如我国东部地区地壳普遍 薄于西部 故东部各盆地的地温及地温梯度一般均高于 西部 23 2 岩石热导率 岩石传导热的能力 用岩石热导率表示 岩性不同 热导率不同 例如玄武岩 碳酸盐岩 碎屑岩 水 油 气 一般 在同一井中 导热性差的岩石具有较高的地温梯 度 导热性好的岩石具较小的地温梯度 3 地下水循环 地下水是一种良好的载热体 在地下水活动过程中
14、 深层的热水上升可引起周围区地温普遍增高 地表温度 较低的地下水也可通过开启性断层流到深部 从而使地 温降低 24 4 局部构造影响 如背斜构造 顶部地温梯度高 两翼低 原因 热流传导的各向异性 当地层倾斜时 热流将 偏向地层上倾方向传播 结果造成背斜使热流聚敛 向斜使热流分散 所以背斜顶部比翼部热流密度 大 除上述原因之外 还有其它因素 如岩浆侵入 放射性元素蜕变等 25 三 地温来源 1 太阳辐射带 地温受太阳能影响的地壳表层 随昼夜和季节变化 约20米 2 常 恒 温带 是地球内部热与太阳辐射热的 相互影响达到平衡的地带 约20 130米厚 3 地热带 增温带 常温带之下 温度随深度 增
15、加而有规律的增大 对于油气田勘探和开发来说 主要研究增温带 地壳上层10km以内 热能可能来自地核热源 包括 岩浆侵入与冷却 地热辐射与对流 放射性元素蜕变 地壳变动摩擦热 渗透层内放热化学反应等 26 二 地温的测定 对于研究油气生成来说 应恢复古地温 以求得生油岩 所经受的最高温度 对于研究油层物理 石油钻井和油气田开发等方面的问题 来说 应用现今地温即可 测定现今地温的两种方法 1 电测温度 电测温度在完 钻后进行 由于泥浆温度往往低于井底的地层 温度 致使井温测量记录的温度一般比真正的地层温度低 因此 要进行多次井温测量 用经验公式计算真正的地温 Tf 真正的地下温度 t1 t2 t3
16、 各次测井时泥浆循环停止的时间 T1 T2 T3 各次测井时的井底温度 27 2 采油温度 在采油过程中所测得的井底油层温度 在实际工作中 常用采油温度校正电测温度 对同一深度 采油温度都高于电测温度 平均差值达22 常用这个平均差 值做为校正系数 对没有采油温度的油气田将电测温度校正为 地层温度 28 三 油气田分布与地温关系 1 油气藏形成的可能性与地温的关系 油气初次运移主要时期 即生油岩成岩的中期阶 段 其孔隙度为30 10 埋深1500 2800米 有机质生成石油的有利温度范围为60 100 由此预测 地温梯度在2 5 4 100米有利于油气 藏形成 29 2 油气藏平面分布与地 温的关系 油气藏形成的最佳温 度范围为52 5 127 若 地下温度过高 会使石 油变质 直接影响油气 的平面分布 例如美国 阿巴拉契亚盆地 自西 向东依次为油藏 油气 藏 气藏的分布规律 主要是热变质作用造成 的 30 3 油气藏的纵向分布与地温的关系 地下温度不仅影响油气的平面分布 而且对油气纵向分布的影 响更为明显 随埋深增加 地温有规律的升高 油气纵向分布则 表现出明显的分带性 1 深度范围
