MÔI TRƯỜNG NGẦM (cơ sở KHOA học địa CHẤT dầu KHÍ SLIDE)

CHƯƠNG 06 MÔI TRƯỜNG NGẦM MÔI TRƯỜNG NGẦM I NƯỚC DƯỚI ĐẤT (GROUND WATER) II NHIỆT ĐỘ (TEMPERATURE) III ÁP SUẤT I NƯỚC DƯỚI ĐẤT I.1 CÁC THUYẾT VỀ NGUỒN GỐC VÀ SỰ HÌNH THÀNH NƯỚC DƯỚI ĐẤT Thuyết ngấm đề Palixi E Mariôt (1580-1650) thuyết giải thích hình thành nước đất mưa ngấm vào đất đá Sau Lơmơnoxơp bổ sug thêm bằg thuyết địa hóa Thuyết ngưng tụ đề Đêcat 1962, Hôn 1663, Fônge 1887 theo thuyết nước xâm nhập vào đất đá với khơng khí sau ngưng tụ lại Thuyết nước sơ sinh nhà địa chất Áo Zusơ vào đầu kỷ XX: Nguồn gốc nước đất nước sản phẩm dạng tách từ macma nóng chảy lịng sâu trái đất; xâm nhập vào đới bên vỏ trái đất chúng bị ngưng tụ lại Thuyết nguồn gốc tàn dư nước đất theo thuyết nước đất đới sâu nước tàn dư khu vực nước cổ bị chôn vùi với đất đá trầm lắng I.2 PHÂN LOẠI NƯỚC DƯỚI ĐẤT Có nhiều cách phân lọai nước đất bật : - Cách phân lọai Xavarenxky dựa điều kiện phân bố, áp lực, đặc điểm vận động, nguồn gốc, cấu trúc địa chất, tính phân đới khí hậu, nhiệt độ, đới địa hóa thành phần hóa học Nước đất chia thành: nước thổ nhưỡng, nước lầy, nước thượng tầng, nước ngầm, nước atêzi, nước cactơ nước khe nứt - Cách phân loại Ovtsinnicov Klimentov lại dựa sở tàng trữ, đặc điểm áp lực, động thái, nguồn gốc khả sử dụng nước kinh tế quốc dân Đây cách phân loại tiện dụng tương đối phổ biến Nước đất chia thành: nước thượng tầng, nước ngầm nước atêzi Nước thượng tầng: Tồn phần vỏ trái đất có ý nghĩa lớn họat động kinh tế người, phân thành ba đới riêng biệt: a Đới thơng khí: liên quan với khí Nước mặt nước mưa ngấm qua đới Một phần lỗ hổng đới ln ln chứa khơng khí b Đới mao dẫn: phân bố tầng nước ngầm Tại đới lỗ hổng nhỏ dạng sợi chứa đầy nước, cịn lỗ hổng lớn khơng chứa nước c Đới bão hịa: lớp nước ngầm, tất lỗ hổng chứa đầy nước Nằm đới đất đá cách nước thấm yếu * Đặc điểm: NTT phân bố độ sâu không lớn (0,5m – 10m), bề dày mỏng, diện phân bố hạn chế mực nước dao động mạnh theo điều kiện thời tiết… * Thành phần hóa học: nước thượng tầng bị khống hóa yếu nhiều bị nhiễm bẩn hợp chất hữu Mưa Đới mao dẫn Đới thơng khí Đới bảo hịa (dịng ngầm) Mơ hình phân bố nước thượng tầng Nước ngầm (nước không áp lực): nước tầng chứa nước liên tục nằm phía tầng cách nước tính từ bề mặt trái đất Hệ tầng đất đá bở rời nức nẻ chứa đầy nước trọng lực gọi tầng chứa nước lớp chứa nước Đất đá không thấm nước nằm tầng chứa nước lớp nước đáy cách nước * Đặc điểm: Quan hệ thủy lực mật thiết với bồn chứa nước mặt Miền cung cấp miền tàng trữ trùng tạo mạch nước vùng thoát * Động thái nước đặc trưng dao động theo mùa, điều kiện khí hậu, lưu lượng, nhiệt độ thành phần hóa học chúng * Thành phần hóa học nước ngầm chịu ảnh hưởng mạnh điều kiện khí hậu, lọai đất đá đới thơng khí bồn nước mặt b b a Mưa H Sơ đồ mặt cắt, cấu tạo tầng nước không áp – Tầng chứa nước khơng áp, – Đới thơng khí, – Mực nước, – Chiều dòng thấm – Đáy cách nước,6 – Nước áp cục bộ, – Nước thương tầng, – Sông mạch nước, a – Miền cung cấp, b – Miền thoát Nước actêzi (nước áp lực): nằm hai đáy cách nước (2) (3), có cột áp lực cao đáy cách nước vận động thấm độ chênh áp lực Do bị lớp cách nước lớp đất có tính thấm nước phủ liên tục bên trên, tạo áp lực khơng có mặt thóang tự (trừ miền cung cấp vùng thóat) * Đặc điểm: Mực nước áp lực phát khoan thủng đáy cách nước gọi mực nước xuất hiện, mực nước sâu mực nước xác định giếng khoan sau 24 gọi mực nước ổn định Miền cung cấp thường xa tầng chứa nước sâu nên nước áp lực có độ cao, lưu lượng tương đối ổn định, động thái thay đổi theo mùa * Động thái nước đặc trưng dao động theo mùa, điều kiện khí hậu, lưu lượng, nhiệt độ thành phần hóa học chúng * Thành phần hóa học nước actêzi đa dạng nơi tiếp xúc với nước ngầm nước mưa nước bồn nước thấm xuống, độ khóang hóa thường thấp khơng ổn định; đọan sâu, độ khóang hóa thường cao, thành phần hóa học ổn định Đường mực áp lực a1 a LK3 LK2 LK1 Sơ đồ tầng chứa nước có áp dạng nếp võng b b1 • 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 gm/cm3, the hydrostatic gradient is 433 psi/ft (0.0979 kg/cm2 * m) or ( 9.79 kPa/m) The gradient increases with increasing salinity of the water to about 465 psi/ft (0.1052 kg/cm2 * 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/cm2 * 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 dầu khí Áp lực bão hịa khí dầu (Ps) áp lực có lượng khí hịa tan hay nói cách khác áp lực khí nằm trạng thái cân nhiệt động lực với dầu vỉa Áp lực bão hịa khí phụ thuộc vào lượng khí hịa tan, thành phần dầu khí, nhiệt độ vỉa Đơn vị đo MPa (Mega Pascal) Nếu áp lực vỉa (Pv) lớn áp lực bão hịa khí (Pv > Ps) vỉa làm việc với chế độ đàn hồi – tức tự phun Nếu áp suất vỉa nhỏ (Pv < Ps) phải dùng bơm hút Vì vậy, khai thác hay dùng biện pháp để trì áp suất vỉa lâu tốt (Pv > Ps) để khai thác chế độ đàn hồi (tự phun) Một biện pháp bơm ép nước vào vỉa ảnh hưởng tới độ hòa tan khí vào nước ngầm: tăng áp suất tạo khả thay đổi độ hịa tan khí vào chất lỏng Nếu P < 5MPa tăng tỷ lệ thuận độ hòa tan áp suất Nếu tiếp tục tăng áp suất độ III.3 Ảnh hưởng áp suất di cư yếu tố cần thiết để HC di cư nhiệt độ áp suất Khi lớp trầm tích bị lún chìm dần, dẫn đến nhiệt độ tăng theo dòng nhiệt từ sâu đưa lên hoạt động kiến tạo khu vực hay địa phương làm tăng thể tích khí, dầu, nước tạo nên áp suất Sự lún chìm làm gia tăng áp lực địa tĩnh dẫn đến độ rỗng giảm, áp suất chất lỏng tăng Thời gian di cư lâu thuận lợi để đẩy phần lớn HC hình thành khỏi đá mẹ Độ sâu lún chìm lớn dẫn đến nhiệt độ, áp suất địa tĩnh áp lực chất lỏng tăng cao, thuận lợi cho trình di cư đẩy HC khỏi đá mẹ Khi áp suất lớn làm giảm sức căng bề mặt ranh giới tiếp xúc dầu nước, giảm áp lực mao dẫn, giảm tính dính ướt chất lỏng Khi đó, cầu khí vận chuyển cầu lỏng lách theo khe nứt nhỏ di cư nhanh Trong thời gian di cư tới bẫy chứa, lúc đầu khí bị tách khỏi hỗn hợp chiếm vị trí cao (tách hai pha) Sau đó, dầu tăng cường nén với áp suất lớn khí lại bị hòa tan dầu ngược lại dầu bị hịa tan khí điều kiện pha dầu khí muốn di cư phải vượt qua áp suất bão hịa nước khí vượt qua áp suất bão hịa dầu, chúng tách khỏi chất lưu để vận động tự Khí HC hòa vào dầu dễ gấp 10 lần so với nước ví dụ điều kiện nhiệt độ T = 100  200oC áp lực 400at 1m3 khí khơ (metan phần nhỏ khí nặng khác) mang theo 25  40kg dầu Cũng nhiệt độ áp lực 700at mang 100kg dầu Chính nhờ đặc điểm mà HC lỏng nằm pha khí di cư nhiều III.4 Áp lực vỉa • Áp lực vỉa áp lực mà chất lỏng chịu đựng Áp lực vỉa quan trọng nhằm phản ánh khả vận động chuyển dịch chất lỏng có điều kiện Có hai loại áp lực: áp lực tĩnh động • Áp lực tĩnh áp lực vỉa chuyển động nước ngầm • Áp lực động xác định có chuyển động nước ngầm xác định vùng cung cấp vùng (vùng vùng tự nhiên hay có đứt gãy cơng trình khai thác chúng) • Áp lực thủy tĩnh xác định sau: P = (h.n)/10 đó: h - chiều cao tầng chứa n - tỷ trọng nước điều kiện chuẩn • Nếu vỉa chứa khơng có vùng áp lực thủy tĩnh đường đẳng áp Nếu vỉa chứa có vùng áp lực thủy tĩnh giảm dần từ vùng cung cấp tới vùng thoát Áp lực thủy tĩnh xác định xác điều kiện tĩnh • Có nhiều nguyên nhân xuất dị thường áp suất Một nguyên nhân vỉa tăng lượng khí, chúng hịa tan nước tạo áp suất lớn áp suất thủy tĩnh Hoặc có xuất đứt gãy mà tầng chứa liên quan tới khe nứt lưu thơng với tầng phía nơi giải tỏa áp lực dư tầng sâu Vì cần dự đốn lát cắt có dị thường áp suất nhằm xử lý khoan qua lát cắt Khi lún chìm vận động nước tăng cường mang theo dầu khí tới bẫy mới, nơi bão hịa hơn, áp suất thấp (áp lực trôi, chảy) (H.6.3) Trong trình vận động nước vỉa, tồn hay phá hủy vỉa dầu khí hồn tồn lệ thuộc vào tốc độ dịng chảy Không chảy có dòng Dòng chảy yếu   Dòng chảy mạnh Dòng chảy mạnh Hình 6.3 Các kiểu di cư phụ thuộc vào áp lực nước - Chế độ thủy động lực nước đóng vai trị quan trọng tích lũy ban đầu (H.7.1a H.6.3) Nếu vỉa khơng có dịng chảy tích lũy dầu khí vị trí nằm ngang, đáy nước, cịn phía dầu khí Áp suất vỉa lớn tạo nên chế độ pha (H.7.1b) Nếu áp suất vỉa chưa đủ lớn để xảy hòa tan khí vào dầu xuất ranh giới khí–dầu– nước (khí cùng, dầu cuối nước đáy (H.6.3) Đây trình phân dị trọng lực - Khi dịng chất lỏng có khí hịa tan đưa đến, giảm áp khí tự tách chiếm vị trí cao bẫy, nước trọng lượng phân tử lớn nên lắng xuống đáy, cịn dầu khơng hịa tan nước khơng hịa tan khí nằm giữa, tỷ trọng dầu nhẹ nước nặng khí nhiều Vì vậy, dầu–khí–nước tồn chế độ pha Dầu Dầu Nước vận động Khí Nước a) b) Mô hình kích thước bẫy chứa dầu, khí theo phân dị ề dày lớn tầng chứa; b) Bề dày nhỏ tầng c III.5 Chế độ nhiệt áp – phân đới pha tích tụ dầu khí • Yếu tố nhiệt áp quan trọng, khống chế chiều hướng tiến hóa VLHC, thúc đẩy phản ứng hóa học q trình cracking Khi nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ chuyển hóa VLHC làm đứt vỡ mạch HC phức tạp (cao phân tử) • Nhưng áp suất tăng nhanh tới mức vượt tốc độ tăng nhiệt độ làm chậm lại q trình chuyển hóa VLHC trình cracking cao phân tử HC Chất lỏng lúc dễ chuyển sang dạng khí nén Hình 9.3 cho thấy đới (A), nhiệt độ tăng nhanh áp suất vỉa nhỏ áp suất thủy tĩnh (< 1,0); chuyển sang đới (B) nhiệt độ tăng chậm, áp suất lại tăng nhanh áp suất vỉa lớn áp suất thủy tĩnh (từ 1,11,9 lần hơn)  V I Ermolkin 1986 đưa khái niệm hai đới nhiệt áp: đới nhiệt áp đới nhiệt áp 20 60 40 P V, M P a A B P T 60 100 v v 140 o T, C Hình 9.3 Mối quan hệ T, P với chiều sâu - Ở đới nhiệt áp (đới A hình 9.3) áp suất vỉa nhỏ áp suất thủy tĩnh, nơi thường tích lũy vỉa dầu, condensat, khí đơn độc nguyên nhân áp lực vỉa áp lực bão hòa thấp Ở đới này, thường xảy phân dị trọng lực HC - Ở đới nhiệt áp dưới, đới có áp lực vỉa ln lớn áp suất thủy tĩnh, dịng nhiệt ln cung cấp kích thích đứt vỡ VLHC phân tử lớn HC Trong đới này, thường tồn vỉa có áp suất bão hịa áp suất vỉa cao Vì vậy, tồn tích lũy dầu khí trạng thái pha (khí hịa tan dầu dầu hịa tan khí) Tồn vỉa khí hay condensat độc lập xảy đới chủ yếu sinh khí đới chủ yếu sinh condensat Cần lưu ý rằng, điều kiện nhiệt độ áp suất tăng mạnh chuyển vỉa dầu thành vỉa condensat Trong trường hợp áp suất, điều kiện nhiệt độ cao hỗn hợp khí lỏng (dạng sương) lại tách pha khí khỏi pha lỏng tạo thành tích tụ dầu, khí vỉa condensat ... bố, tính chất đặc tính nước ngầm mỏ dầu khí Kiểu nước tương quan với dầu, khí • Trong mỏ dầu khí thường tồn nước rìa, nước đáy Ngồi ra, cịn có vỉa nước chứa khí bão hịa nằm vỉa dầu, khí • Nước... mối quan hệ nước với dầu khí Ví dụ: Hệ số Br/I  30 nguồn gốc nước có liên quan tới dầu khí, cịn hệ số Br/I > 85 phản ánh nước khơng có liên quan tới dầu khí • Các mỏ dầu khí thường liên quan... địa nhiệt gradien địa nhiệt - Cấp địa nhiệt: khoảng xuống sâu mà nhiệt độ tăng lên 10C Giá trị cấp địa nhiệt thay đổi nhiều phạm vi cấu trúc địa chất phụ thuộc lọat yếu tố (thành phần thạch học,