Явления, вызывающие давления

а) Присутствие углеводородов

Давление пластовой воды в залежи может быть нормальным на контакте вода / углеводороды. Напротив, у кровли пласта наблюдается избыточное давление вследствие различия в плотности между углеводородами и пластовыми водами. Это избыточное давление может быть значительным в случае газовой залежи (рис. 2.7 и 2.8).

Рис. 2.7 Случай залежи углеводородов

Избыточное давление углеводородов пропорционально разности плотностей пластовой воды и углеводородов и высоте h столба углеводородов.

Получаем :

Dр = h ´ (r_воды - r_{углевод}) / 10,2

Градиент порового давления увеличивается на входе в залежь, затем постепенно уменьшается и возвращается к нормальному значению на контакте вода / углеводороды. Необходимое увеличение плотности бурового раствора для бурения в продуктивном пласте может вызвать риск потерь циркуляции, загрязнения и кольматации вследствие дифференциального давления в нижней части продуктивного пласта.

Увеличение плотности бурового флюида будет тем выше, чем ближе к поверхности будет пласт и чем значительнее высота газонасыщенной зоны.

б) Эффект геостатического давления в ходе оседания (Недоуплотненные пласты)

Оседание представляет собой постепенное опускание недр. Оно обеспечивает сохране-ние необходимых условий для отложения осадков в данном регионе. В ходе оседания отложения осаждаются на дне моря в периодическом режиме, при этом более поздние отложения покрывают более древние.

Геостатическое давление постепенно увеличивается внутри отложений в ходе их опускания. Рыхлый осадок превращается в породу под действием давления, температуры и ионообмена между породой и циркулирующими флюидами. Этот процесс называется диагенезом.

Уплотнение представляет одну из фаз диагенеза, состоящую в механической перестройке зерен, образующих осадок, под действием давления. Оно сопровождается уменьшением объема породы, главным образом, в ущерб объему пор, из которых вытесняется часть содержащейся в них воды. В результате пористость уменьшается и повышается плотность породы. Амплитуда явления зависит от исходной пористости отложения, размера, формы, распределения зерен по крупности, строения зерен и проницаемости породы.

Уменьшение пористости ведет также к уменьшению проницаемости, что уменьшает явления миграции флюидов. Другие фазы диагенеза, в частности, цементация зерен и рекристаллизация также характеризуются тенденцией к уменьшению пористости и проницаемости.

Рис. 2.8 Диаграмма давление / глубина. Залежь углеводородов.

б1) Изменение порового давления в процессе уплотнения

Устройство, представленное на рис. 2.9, состоит из цилиндрической трубы, заполненной водой и снабженной перфорированными пластинками, разделенными пружинами, манометра и вентиля.

Давление р_{геостат}, действующее на верхнюю пластину, моделирует геостатическое давление. Давление s_v, действующее на пружины, представляет вертикальное эффективное напряжение на зерна отложения, а давление р_пор - поровое давление.

Приращение Dр_{геостат} геостатического давления будет, в зависимости от случая, выдерживаться только пружинами, моделирующими твердую часть породы (зерна и цемент), или только водой, моделирующей вмещаемые флюиды, или же тем и другим.

Следует различать три случая :

· Случай А: вентиль закрыт, вода не может выйти из цилиндра. Любое приращение Dр_{геостат} давления на верхнюю пластину будет восприниматься только водой (с учетом сжимаемости воды). Давление ее будет увеличиваться на D р_пор . Объем системы не может меняться, и Dр_{геостат} = D р_пор . Порода будет недоуплотненной и поровое давление будет аномальным.

· Случай В: частично приоткрытый вентиль обеспечивает утечку воды. Пластины сближаются, и вода вытесняется при уменьшении объема породы и пор. Часть Dр_{геостат} воспринимается пружинами, часть водой. Получаем Dр_{геостат} = Ds_v + D р_пор .

· Случай С: вентиль открыт, вода вытекает свободно. Система достигает нового состояния равновесия, представляющего новое состояние уплотнения. Приращение Dр_{геостат} геостатического давления полностью воспринимается пружинами, вода остается под нормальным давлением, и Dр_{геостат} = Ds_v. Порода будет нормально уплотненной, и давление в порах будет нормальным.

Рис. 2.9 Моделирование явления уплотнения

Этот экспериментальный пример показывает, что происходит в процессе оседания. Возможны два случая :

· Если в ходе оседания имеющиеся в порах флюиды могут свободно вытесниться на поверхность или в стороны через дренажную систему, уплотнение происходит нормально. Приращение геостатического давления будет выдерживаться твердой фазой породы. Объем породы и пор уменьшится. Давление вмещаемых флюидов останется нормальным (см. рис. 2.10).

· Если, напротив, флюиды вытесняются с трудом или остаются на месте, уплотнение не может проходить нормально. Увеличение геостатического давления вызовет увеличение давления вмещаемых флюидов. Объем породы и пор практически не изменится. Порода окажется недоуплотненной (см. рис. 2.11).

б2) Случай уплотнения глин

Уплотнение является доминирующим явлением и значительная часть воды должна быть вытеснена. Это вытеснение происходит в несколько этапов. При нормальном развитии процесса пористость, составлявшая порядка 80-90% в момент осадконакопления, уменьшается исключительным образом, достигая 20-30% на глубине 3000 м и 5-10% на глубине 6000 м (см. рис. 2.1).

б3) Случай песчаников и карбонатов

Уплотнение имеет меньшее значение, так как эти породы отличаются незначительной сжимаемостью. Уменьшение пористости с глубиной представляет почти линейную закономерность (см. рис. 2.1).

Объем отводимой вмещаемой воды меньше, чем в случае глин, но довольно существен. Вытеснение этой воды происходит более плавно, и проницаемость, хотя и уменьшается с глубиной, обычно остается достаточной, чтобы обеспечить дренаж. Риск недоуплотнения для этих пород незначителен. Однако, он может возникнуть, если эти породы окажутся внутри непроницаемых пород или если их проницаемость снижается вследствие присутствия глин.

Рис. 2.10 Процесс нормального уплотнения пород

б4) Особый случай мела

Среди карбонатных пород мел, учитывая его текстуру, ведет себя в процессе оседания, скорее, как глины. Его пористость, которая в момент осадконакопления может достигать порядка 70%, постепенно уменьшается до 10% на глубине около 3000 м. В связи с его незначительной проницаемостью и значительным объемом вытесняемой воды, возможно развитие явлений недоуплотнения.

Рис. 2.11 Процесс недоуплотнения пород

б5) Заключение

Недоуплотнение обычно рассматривается как основная причина возникновения аномальных давлений. Это явление касается, главным образом, глин, так как они относятся к сжимаемым и малопроницаемым породам, содержащим значительное количество воды в момент осадконакопления.

Недоуплотнение и наличие избыточных давлений являются следствием плохого дренажа или отсутствия дренажа вмещаемых флюидов в ходе оседания. Присутствие дренажа в покрывающих породах должно уменьшить и даже ликвидировать эти явления.

Быстрое оседание, высокая степень седиментации и наличие малопроницаемых осадков являются главными причинами недоуплотнения, так как при этом вмещаемые флюиды не успевают мигрировать. Эти явления возникают, главным образом, в дельтовых зонах.

Недоуплотненные глины пластичны и текучи. Хотя они и не опасны с точки зрения порового давления пока они не охватывают проницаемых пористых пород, в процессе бурения они создают трудности. Плотность бурового раствора будет увеличена для сохранения устойчивости стенок скважины, которые имеют тенденцию к течению, и для предупреждения возможных прихватов в пористых проницаемых зонах.

в) Минералогические превращения глин в процессе диагенеза

Минералогические превращения, освобождающие значительные количества воды, могут происходить в процессе диагенеза некоторых глин. Смектиты и стратитекстуры превращаются в иллит под совместным действием температуры, ионообмена и, в меньшей мере, давления. Количество выделяемой воды составляет порядка 15-20%.

Эта вода изменяет давление в порах, если она не имеет возможности свободно покинуть глину.

Кроме величины геотермического градиента, существующего в данном регионе, и минералогической природы глин, эти превращения зависят также от состояния уплотнения глин. Недоуплотнение тормозит эти превращения, ограничивая тем самым объем имеющейся для миграции свободной воды и, следовательно, ограничивает увеличение давления в порах.

Возникновение аномальных давлений в результате минералогических превращений глин возможно только, если глины относятся к типам смектитов и стратитекстур. Этот механизм может быть весьма заметным в некоторых регионах для пород на глубинах более 3000 м.

г) Термическое расширение воды

Температура внутри отложений увеличивается вместе с глубиной и ведет к увеличению объема воды в порах пород.

В системе с хорошим дренажом это увеличение рассеивается. Напротив, если система полностью замкнута, объем воды не может измениться и возникнет повышение порового давления. Повышение давления может быть очень значительным (порядка 10 бар на ^оС). Эффект возникает только при условии, что порода замкнута герметичной непроницаемой перегородкой и что повышение температуры произошло после перекрытия системы. Поскольку увеличение объема незначительно, небольшая утечка может уменьшить или даже исключить этот эффект.

Обычно глины достаточно проницаемы, чтобы обеспечить исчезновение избыточного давления за короткий период в масштабе геологического времени. Напротив, если геотермический градиент аномально высок, это явление может оказаться существенным.

д) Осмос

Осмос представляет собой феномен, который возникает, когда два раствора с различной концентрацией ионов разделены полупроницаемой мембраной. Такая мембрана отличается селективной проницаемостью : она пропускает воду, но не ионы. Происходит циркуляция воды от менее концентрированного раствора к более концентрированному. В камере с более концентрированным раствором давление повышается, а в камере с менее концентрированным понижается (см. рис. 2.12).

Пласт глины может вести себя подобно полупроницаемой мембране. В случае, напри-мер, замкнутой глинами залежи с высоким содержанием солей возможна миграция в ее направлении, повышающая, тем самым, поровое давление.

Представляется, что возникновение аномальных давлений в результате осмоса касается явления, ограниченного весьма специфическими условиями. Представляется также, что осмос, напротив, может вызывать и аномально пониженные давления. В точности выявить его роль весьма затруднительно.

Рис. 2.12 Иллюстрация явления осмоса

е) Осаждение эвапоритов

Осадки эвапоритов могут играть роль барьеров проницаемости, вызывая давления.

е1) Роль непроницаемой перегородки

Эвапориты представляют собой полностью непроницаемые породы, образующие превосходные непроницаемые перегородки, так как они пластичны и обеспечивают заполнение нарушений или разрывов.

В процессе седиментации осадок эвапоритов препятствует любой вертикальной эвакуации флюидов, находящихся в нижезалегающих отложениях. Если горизонтальный дренаж плох или не существует вовсе, в результате различных процессов возникают аномальные давления.

е2) Диагенез сульфатов

Сульфат кальция существует в природе в двух формах :

§ гипс, гидратированная форма,

§ ангидрит, безводная форма.

При температуре около 40^оС гипс превращается в ангидрит, выделяя значительное ко-личество воды и вызывая уменьшение объема породы. Выделенная при этом вода ведет к возникновению некоторых аномальных давлений.

Обратное превращение, сводящееся к регидратации ангидрита для образования гипса, возможно, когда ангидрит оказывается в контакте с водой при невысокой температуре. Реакция вызывает увеличение объема породы, которое представляется в некоторых случаях причиной возникновения аномальных давлений.

Несмотря на значительные колебания объема воды или породы, значение этого явления следует считать второстепенным. Эти превращения происходят на небольших глубинах, где миграция вод осуществляется достаточно легко.

е3) Образование соляных куполов

Соль представляет пластичную породу, способную течь с образованием соляных куполов. Подъем соли к поверхности может вызывать аномальные давления в вышерасположенных образованиях и по бокам купола (см. рис. 2.13).

Рис. 2.13 Соляной купол

ж) Превращение органического вещества

На малых глубинах имеющиеся в отложениях органические вещества подвергаются частичным превращениям под действием бактерий. Выделяются метан и другие газы (СО₂ и H₂S). Как правило, эти газы легко мигрируют на поверхность, благодаря хорошей проницаемости вышезалегающих отложений. Однако, встречаются случаи, когда миграция останавливается непроницаемыми перегородками, и тогда эти газы под давлением оказываются в ловушке на малых глубинах.

За пределами определенной глубины бактериальная активность прекращается и все более легкие углеводороды получаются под действием температуры. Эти превращения увеличивают число молекул и занятый углеводородами объем. В замкнутом пласте, где объем не может меняться, происходит увеличение порового давления. Величина этого давления зависит от степени замкнутости пласта, температуры и окончательного состава углеводородов.

Это явление отмечается как в глинисто-песчаниковых, так и в карбонатных породах.

з) Тектоника

Тектонические явления могут вызвать изменения порового давления, создавая тем самым в одних условиях избыточные давления, а в других ликвидируя их.

Наиболее часто встречаются явления :

· Сочетание поднятия глубинных пластов к земной поверхности и эрозии поверхностных пластов. Замкнутые на больших глубинах пласты оказываются ближе к поверхности с их первоначальным давлением. Эти избыточные давления известны под названием палеодавлений (см. рис. 2.14).

Рис. 2.14 Палеодавления

(r₁, r₂, r₃ - необходимая плотность бурового раствора для прохождения через линзу)

Их существование требует, чтобы поднятые отложения были замкнутыми. Но обычно такого рода перемещения вызывают нарушения и разрывы. В результате, вполне вероятно, что во многих случаях избыточные давления рассеиваются вследствие утечек через нарушения и разрывы.

§ Величина тектонических напряжений. На отложения действуют геостатическое давление и два приблизительно горизонтальных напряжения. Эти напряжения, как и геостатическое давление, могут повлиять на давление флюидов в породах и вызвать избыточные давления.

§ Нарушения, которые, главным образом, образуют боковую герметичную перегородку или дренаж (см. рис. 2.15).

Рис. 2.15 Роль нарушений в распределении давлений

Влияние нарушений в распределении поровых давлений будет очень разным в зависимости от условий. Оно зависит от многих факторов, в частности :

- литологической и петрофизической природы рассматриваемых пород,

- значительности перемещения полостей относительно друг друга,

- распределения проницаемых и непроницаемых пород.

Обычно нарушения от растяжения (нормальные нарушения) играют роль дренажа, а нарушения от сжатия (обратные нарушения) - роль перегородки. Исполняя роль дренажа, некоторые нарушения могут вызвать сообщение пластов под высоким давлением с породами, близкими к поверхности, вызывая тем самым избыточные давления на верхних уровнях. С этим явлением связаны некоторые скопления поверхностного газа (газ на малой глубине).

и) Гидродинамизм

Явления гидродинамизма и любые другие перемещения флюидов вызывают перепады давления, которые нарушают “нормальный” гидростатический режим давлений. В малопроницаемых породах перепады давления могут быть огромными, несмотря на незначительность расхода.

Гидродинамизм, в отличие от других механизмов, создающих давление, не обязательно нуждается в наличии непроницаемых перегородок. Поскольку перепады давления в данной точке пропорциональны расстоянию от этой точки до “плоскости утечки” флюидов, вызываемое этим явлением поровое давление не будет соотноситься с плотностью пластовых флюидов.

Заключение относительно природы аномальных давлений

Обильная седиментация в сочетании с быстрым оседанием (вызывающим быстрое захоронение осадков) и наличие малопроницаемых отложений являются определяющими факторами существования аномальных давлений. Для удержания флюидов необходимо присутствие вертикальных и боковых непроницаемых перегородок.

По мере погружения осадков в процессе оседания, давление флюидов, охваченных непроницаемыми перегородками, увеличивается под действием геостатического давления, тектонических напряжений и температуры, которая сама по себе вызывает многие явления (термическое расширение воды, превращение органического вещества, минералогические превращения глин и т.д.). Флюиды воспринимают часть геостатического давления, которое при нормальных условиях действует на матрицу породы.

Глины и эвапориты играют первостепенную роль в этих явлениях. В отличие от глин, эвапориты вызывают резкие изменения порового давления.

Важным фактором является время. Избыточные давления имеют тенденцию к исчезновению, так как в масштабах геологического времени герметичность редко бывает идеальной.

2.3 Индикаторы изменения порового давления

Некоторые признаки позволяют предвидеть и выявлять изменения порового давления. Следует помнить, что ни один из этих признаков не является надежным на все 100%. В ходе бурения за ними необходимо постоянно следить и принимать их во внимание.

2.3.1 Информация, имеющаяся до бурения

Геологические изыскания

Геологические изыскания в данном регионе могут дать интересную информацию. Для различных геологических уровней могут быть составлены карты распределения давлений. Обычно эти карты не точны по причине небольшого количества имеющейся информации.

Литологический разрез способен дать какие-то признаки и, по крайней мере, должен побудить к бдительности. Это особенно касается случаев присутствия непроницаемых покрывающих пород (глины и эвапориты).

Опасность вхождения в породы с аномальным давлением более высока в дельтовых зонах, в зонах с высокой степенью тектонического сжатия и поблизости от соляных куполов.

Геофизические методы

Только сейсмические методы способны дать информацию в отсутствие бурения. Они позволяют локализовать недоуплотненные зоны. Скорость распространения сейсмических волн увеличивается вместе с уплотнением. В недоуплотненной породе скорость волн аномально мала по сравнению с тем, что должно быть. В кровле и в подошве недоуплотненной зоны изменение градиента давления обычно проявляется отражениями с широкой амплитудой. Как правило, недоуплотненная зона дает хаотические отражения или отсутствие отражения волн.

Существуют методы, которые позволяют, на основе записей сейсмических сигналов, построить диаграмму, сопоставимую с записанными в открытом стволе данными акустического каротажа, и оценить поровое давление разбуриваемых пород.

Гравиметрия также может дать информацию относительно состояния уплотнения недр. Плотность недоуплотненной породы меньше нормальной, что вызывает уменьшение величины ускорения сил тяжести. Полученные этим методом результаты трудно интерпретировать, и чтобы извлечь пользу, их следует рассматривать в сочетании с результатами сейсмики.