Bài giảng Địa chất dầu khí - Chương 6: Môi trường ngầm

năng tiếp nhận và phân tán nhiệt của chúng. Vì thế, chế độ nhiệt ở một bể trầm tích là rất quan trọng và được thể hiện bằng gradient địa nhiệt . Nó quyết định sự phân đới sinh thành dầu khí ở mỗi bể nông hay sâu, rộng hay hẹp. Hình 3.7 theo đồ thị này thì ở chế độ nhiệt thấp ( gradient địa nhiệt thấp ) đới sinh dầu, khí rất rộng và nằm ở độ sâu lớn, ngược lại ở chế độ nhiệt cao ( gradient địa nhiệt cao ) đới sinh dầu, khí, nông và hẹp hơn nhiều. Phân đới thẳng đứng sinh HC phụ thuộc vào gradien địa nhiệt (H. Đ. Tiến, 1975) quá trình sinh dầu khí lệ thuộc vào tốc độ lún chìm bể và thời gian địa chất, thường xảy ra ở khoảng nhiệt độ từ 80  90 o C đến 250  300 o C. Sơ đồ khái quát về sinh thành HC Phân đới thẳng đứng sinh và tích lũy dầu khí Kh í Condensat Da à u Da à u Condensat Kh í %R o T o C Chie à u saâu km Ñ ô ù i sinh HC (HC) Ñ ô ù i t í ch luõy HC 0,3 0,6 30  40 80 90 1,5  3,5 Ñ ô ù i kh í sinh ho ù a 1,35 150  160 3,5  6,5 Ñ ô ù i chu û ye á u sinh da à u 2,2 250  260 6,5  11 Ñ ô ù i chu û ye á u sinh condensat 4,8  300 9  17 Ñ ô ù i chu û ye á u sinh kh í khoâ 11,0 > 300 > 9  17 Ñ ô ù i kh í axit va ø grafit Lithostatic pressure is due to the weight of the rock overburden. It is transmitted through the subsurface by grain-to-grain contacts in the rocks. The magnitude of this lithostatic pressure at a particular depth depends on the depth, the density of the overlying rocks, and the acceleration due to gravity. The lithostatic pressure gradient increases with depth and is approximately 0.6 psi/ft ( 0.136 kg/cm2 * m ) or ( 13.6 kPa/m ). The fluid pressure , often called "pore pressure" or "formation pressure", is applied by the fluids within the pore spaces. These fluids exert pressure against the grains. When the pressure in the pores is caused only by the weight of the column of fluid in the rocks above, it is called hydrostatic pressure . For a column of fresh water with a density of 1 gm/cm 3 , the hydrostatic gradient is .433 psi/ft (0.0979 kg/cm 2 * m) or ( 9.79 kPa/m). The gradient increases with increasing salinity of the water to about .465 psi/ft (0.1052 kg/cm 2 * m) or (10.52 kPa/m) for typical connate water. In the oil industry, fluid pressure is usually calculated as:   p = 0.052 x wt x d where: p = hydrostatic pressure ( psi ) wt = mud height ( lb/gallon ) d = depth ( ft ) The overburden pressure, which is also called geostatic pressure, is equal to the sum of the hydrostatic pressure plus the lithostatic pressure. This pressure may also be thought of as the pressure caused by the weight of water plus sediment per unit area. The overburden pressure increases with depth and averages about 1psi/ft ( .226 kg/cm 2 * m ) or ( 22.6 kPa/m ). Figure 03 summarizing differences between lithostatic and fluid pressure gradients we might normally expect to see. III.2 Áp suất đối với dầu khí Áp lực bão hòa khí của dầu (Ps) là áp lực có lượng khí hòa tan hay nói cách khác là áp lực khí nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực với dầu vỉa. Áp lực bão hòa khí phụ thuộc vào lượng khí hòa tan, thành phần dầu và khí, nhiệt độ vỉa. Đơn vị đo là MPa ( Mega Pascal ). Nếu áp lực vỉa ( Pv ) lớn hơn áp lực bão hòa khí ( Pv > Ps ) thì vỉa làm việc với chế độ đàn hồi – tức là tự phun. Nếu áp suất vỉa nhỏ hơn ( Pv Ps ) để khai thác ở chế độ đàn hồi (tự phun). Một trong các biện pháp đó là bơm ép nước vào vỉa. aûnh höôûng tôùi ñoä hoøa tan khí vaøo nöôùc ngaàm: tăng áp suất tạo khả năng thay đổi độ hòa tan khí vào chất lỏng. Nếu P < 5 MPa tăng tỷ lệ thuận giữa độ hòa tan và áp suất. Nếu tiếp tục tăng áp suất thì độ hòa tan tăng chậm hơn. III.3 Ảnh hưởng áp suất đối với sự di cư yếu tố cần thiết để HC di cư là nhiệt độ và áp suất. Khi lớp trầm tích bị lún chìm dần, dẫn đến nhiệt độ cũng tăng theo hoặc dòng nhiệt từ dưới sâu đưa lên do các hoạt động kiến tạo khu vực hay địa phương làm tăng thể tích của khí, dầu, hơi nước... tạo nên áp suất mới. Sự lún chìm làm gia tăng áp lực địa tĩnh dẫn đến độ rỗng giảm, áp suất chất lỏng tăng. Thời gian di cư càng lâu càng thuận lợi để đẩy phần lớn HC được hình thành ra khỏi đá mẹ Độ sâu lún chìm càng lớn dẫn đến nhiệt độ, áp suất địa tĩnh và áp lực chất lỏng càng tăng cao, càng thuận lợi cho quá trình di cư đẩy HC ra khỏi đá mẹ. Khi áp suất lớn sẽ làm giảm sức căng bề mặt ranh giới tiếp xúc của dầu và nước, giảm áp lực mao dẫn, giảm tính dính ướt của chất lỏng. Khi đó, các quả cầu khí vận chuyển các quả cầu lỏng lách theo các khe nứt nhỏ di cư nhanh hơn. Trong thời gian di cư tới bẫy chứa, lúc đầu khí bị tách ra khỏi hỗn hợp và chiếm vị trí cao nhất (tách hai pha). Sau đó, dầu được tăng cường và được nén với áp suất lớn thì khí lại bị hòa tan trong dầu hoặc ngược lại dầu bị hòa tan trong khí trong điều kiện một pha. dầu khí muốn di cư thì phải vượt qua được áp suất bão hòa trong nước hoặc khí vượt qua áp suất bão hòa trong dầu, thì chúng mới tách ra khỏi chất lưu để vận động tự do. Khí HC hòa vào dầu dễ hơn gấp 10 lần so với nước. ví dụ trong điều kiện nhiệt độ T = 100  200 o C dưới áp lực 400 at thì 1 m 3 khí khô (metan và một phần rất nhỏ khí nặng khác) có thể mang theo 25  40 kg dầu. Cũng ở nhiệt độ đó nhưng dưới áp lực 700 at có thể mang 100 kg dầu. Chính nhờ các đặc điểm này mà HC lỏng nằm trong pha khí sẽ di cư nhiều hơn. III.4 Áp lực vỉa Áp lực vỉa là áp lực mà chất lỏng chịu đựng. Áp lực vỉa rất quan trọng nhằm phản ánh khả năng vận động chuyển dịch của chất lỏng khi có điều kiện. Có hai loại áp lực: áp lực tĩnh và động. Áp lực tĩnh là áp lực trong vỉa không có sự chuyển động của nước ngầm. Áp lực động được xác định khi có sự chuyển động của nước ngầm và được xác định bằng vùng cung cấp và vùng thoát (vùng thoát có thể là vùng thoát tự nhiên hay có các đứt gãy hoặc các công trình khai thác chúng). Áp lực thủy tĩnh được xác định như sau: P = ( h .  n )/10 trong đó: h - chiều cao của tầng chứa  n - tỷ trọng của nước ở điều kiện chuẩn. Nếu vỉa chứa không có vùng thoát thì áp lực thủy tĩnh như nhau trên đường đẳng áp. Nếu vỉa chứa có vùng thoát thì áp lực thủy tĩnh giảm dần từ vùng cung cấp tới vùng thoát. Áp lực thủy tĩnh được xác định chính xác chỉ trong điều kiện tĩnh. Có nhiều nguyên nhân xuất hiện dị thường áp suất. Một trong các nguyên nhân đó là trong vỉa được tăng lượng khí, chúng hòa tan trong nước tạo áp suất lớn hơn áp suất thủy tĩnh. Hoặc có xuất hiện đứt gãy mà tầng chứa liên quan tới khe nứt lưu thông với các tầng phía dưới và là nơi giải tỏa áp lực dư ở các tầng sâu hơn. Vì vậy cần dự đoán các lát cắt có các dị thường áp suất nhằm xử lý khi khoan qua lát cắt này. Khi lún chìm vận động của nước được tăng cường và mang theo dầu khí tới các bẫy mới, nơi kém bão hòa hơn, áp suất thấp hơn ( áp lực trôi, chảy ) (H.6.3). Trong quá trình vận động của nước vỉa, sự tồn tại hay phá hủy của vỉa dầu khí hoàn toàn lệ thuộc vào tốc độ của dòng chảy. Khoâng coù doøng chaûy Doøng chaûy raát yeáu Doøng chaûy maïnh Doøng chaûy raát maïnh   Hình 6.3 Các kiểu di cư phụ thuộc vào áp lực của nước - Chế độ thủy động lực của nước đ ó ng vai trò quan trọng trong c á c t í ch lũy ban đầu (H.7.1a v à H.6.3). Nếu trong vỉa không c ó dòng chảy th ì t í ch lũy dầu kh í ở vị tr í nằm ngang, khi đ ó đ á y l à nước, còn ph í a trên l à dầu kh í . Á p suất vỉa lớn tạo nên chế độ một pha (H.7.1b). Nếu á p suất vỉa chưa đủ lớn để xảy ra sự hòa tan kh í v à o dầu th ì sẽ xuất hiện ranh giới kh í– dầu – nước (kh í trên c ù ng, giữa l à dầu v à cuối c ù ng l à nước đ á y (H.6.3). Đây l à qu á tr ì nh phân dị trọng lực. - Khi dòng chất lỏng c ó kh í hòa tan đưa đến, khi giảm á p kh í sẽ tự t á ch ra v à chiếm vị tr í cao nhất trong bẫy, còn nước do trọng lượng phân tử lớn nên lắng xuống đ á y, còn dầu không hòa tan trong nước v à cũng không hòa tan trong kh í sẽ nằm ở giữa, do tỷ trọng dầu nhẹ hơn nước nhưng nặng hơn kh í rất nhiều. V ì vậy, dầu – kh í– nước sẽ tồn tại chế độ 3 pha. b) Daàu Khí Nöôùc vaän ñoäng a) Nöôùc Daàu Hình 7.1 Moâ hình kích thöôùc baãy chöùa cuûa daàu, khí theo phaân dò troïng löïc a) Beà daøy lôùn cuûa taàng chöùa; b) Beà daøy nhoû cuûa taàng chöùa III.5 Chế độ nhiệt áp – phân đới pha các tích tụ dầu khí Yếu tố nhiệt áp rất quan trọng, nó khống chế chiều hướng tiến hóa của VLHC, thúc đẩy các phản ứng hóa học và quá trình cracking. Khi nhiệt độ tăng sẽ làm tăng tốc độ chuyển hóa VLHC và làm đứt vỡ các mạch HC phức tạp (cao phân tử)... Nhưng khi áp suất tăng nhanh tới mức vượt quá tốc độ tăng nhiệt độ thì làm chậm lại quá trình chuyển hóa của VLHC và quá trình cracking các cao phân tử HC. Chất lỏng lúc này rất dễ chuyển sang dạng khí nén. Hình 9.3 cho thấy ở đới trên (A), nhiệt độ tăng nhanh nhưng áp suất vỉa luôn nhỏ hơn áp suất thủy tĩnh (< 1,0); còn chuyển sang đới dưới (B) nhiệt độ tăng chậm, khi đó áp suất lại tăng nhanh và áp suất vỉa luôn lớn hơn áp suất thủy tĩnh (từ 1,1  1,9 lần và có thể hơn). V. I. Ermolkin 1986 đã đưa ra khái niệm hai đới nhiệt áp: đới nhiệt áp trên và đới nhiệt áp dưới. Hình 9.3 Moái quan heä giöõa T, P vôùi chieàu saâu - Ở đới nhiệt áp trên (đới A trên hình 9.3) áp suất vỉa nhỏ hơn áp suất thủy tĩnh, nơi đây thường được tích lũy các vỉa dầu, condensat, khí đơn độc nguyên nhân là do áp lực vỉa và áp lực bão hòa thấp. Ở đới này, thường xảy ra phân dị trọng lực HC. - Ở đới nhiệt áp dưới , đới có áp lực vỉa luôn lớn hơn áp suất thủy tĩnh, do dòng nhiệt luôn được cung cấp kích thích sự đứt vỡ VLHC và các phân tử lớn HC. Trong đới này, thường tồn tại các vỉa có áp suất bão hòa và áp suất vỉa cao. Vì vậy, có thể tồn tại các tích lũy dầu khí ở trạng thái một pha (khí hòa tan trong dầu hoặc dầu hòa tan trong khí). Tồn tại các vỉa khí hay condensat độc lập chỉ xảy ra ở đới chủ yếu sinh khí và đới chủ yếu sinh condensat. Cần lưu ý rằng, ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tăng mạnh sẽ chuyển vỉa dầu thành vỉa condensat khi. Trong trường hợp mất áp suất, mặc dù ở điều kiện nhiệt độ cao nhưng hỗn hợp khí lỏng (dạng sương) lại tách pha khí ra khỏi pha lỏng và tạo thành các tích tụ dầu, khí và vỉa condensat.