Механизм использования пластовой энергии при добыче нефти

Жидкость из пласта в скважину поступает под действием перепада давления между пластом и забоем скважины. Поэтому пластовое давление - основной фактор, определяющий текущее энергетическое состояние залежи. Точнее, следует говорить не об абсолютной величине этого параметра, а об его соотношении с нормальным пластовым давлением на глубине залегания данной залежи, которое равно давлению столба воды равной высоты. Различают залежи, у которых начальное пластовое давление превышает эту величину (аномально-высокое пластовое давление - АВПД) и залежи с более низким начальным давлением (аномально низкое пластовое давление - АНПД).

Аномалии начального пластового давления определяются различными причинами, в основном геологического характера. Анализ данных по большому числу нефтяных месторождений тяжелых нефтей показал, что существует корреляционная зависимость между удельным весом (содержанием тяжелых компонентов в нефти) и коэффициентом аномально высокого пластового давления, который равен отношению АВПД в залежи к нормальному пластовому давлению на соответствующей глубине. Именно, с ростом удельного веса нефти наблюдается тенденция к увеличению коэффициента аномальности. Таким образом, по составу нефти, определяемому по устьевым замерам, можно оценивать АВПД в залежи.

Другая причина проявления аномального пластового давления может быть обусловлена особенностями гидростатики разноплотных жидкостей. Пусть, например, кровля нефтяного пласта находится на глубине 1000 м, водонефтяной контакт - на глубине 2000 м, а нижняя граница водной области - на глубине 3000 м. Так как давление в пластах распределяется по гидростатическому закону в соответствии с удельным весом воды, то на глубине 3000 м пластовое давление равно примерно 30 МПа, на отметке водонефтяного контакта - 20 МПа. Если принять удельный вес нефти 800 кг/м³, то на кровле нефтяного пласта давление будет равно 20 - 8 = 12 МПа, в то время как нормальное пластовое давление на этой глубине равно 10 МПа, т. е. коэффициент аномальности равен 1,2. При наличии газовой шапки этот эффект будет существенный. Можно решать и обратную задачу - по определенному распределению давления по глубине оценивать положение водонефтяного контакта.

Различают два типа источников пластовой энергии - естественные и искусственные. К естественным источникам относятся упругость пластовой системы, напор пластовых вод, наличие свободного газа (в виде газовой шапки), энергия растворенного газа, напор обусловленный силой тяжести. Пластовую энергию можно поддерживать искусственным способом - закачкой в пласт воды, пара или газа. В зависимости от того, какой источник пластовой энергии преобладает, формируется определенный режим разработки. Рассмотрим последовательно каждый из этих режимов.

В начальном состоянии пластовая система, под которой понимается вмещающий коллектор, нефтяная часть и контактирующий с ней водоносный бассейн, находится в сжатом состоянии, определяемом начальным пластовым давлением. Отбор нефти из залежи приводит к снижению там давления, в результате чего происходит расширение частиц породы, нефти и воды. А это, в свою очередь, уменьшает падение пластового давления. Таким образом, в процессе разработки начальная упругая энергия сжатия пластовой системы уменьшается. Метод разработки нефтяного месторождения, основанный на использовании запаса упругой энергии пластовой системы, называется разработкой на естественном режиме.

Горные породы, нефть и вода имеют сравнительно небольшие коэффициенты сжимаемости. Так, для воды β = 0,5-10^-3 Мпа^-1, для нефтей β = 10^-3 Мпа^-1, для горных пород - на порядок ниже. Поэтому даже при полном снижении давления от начального пластового до атмосферного за счет упругой энергии можно извлечь всего несколько процентов от начальных запасов месторождения (не более 3 - 5%). Однако если объем водоносного бассейна значительно превышает объем нефтяной залежи, то ситуация меняется. В этом случае при снижении давления прирост объема воды за счет расширения может стать соизмеримым с объемом нефтяной части, что приведет к увеличению вытесненной из пласта нефти.

Реализация такого режима в сильной степени зависит от темпов отбора нефти из залежи. При высоких темпах водоносный бассейн не успевает реагировать на изменение давления в нефтяной части, вследствие чего пластовое давление не будет поддерживаться за счет вторжения воды в нефтяную зону. Существенным недостатком водонапорного режима является неконтролируемое вторжение воды в нефтяную залежь. Это приводит к преждевременному обводнению добывающих скважин, неравномерному обводнению различных зон пласта как по толщине, так и по простиранию.

Подсчет упругого запаса пластовой энергии залежей, содержащих тяжелые нефти с повышенным содержанием асфальтено-смолистых фракций, имеет свои особенности. При изменении давления увеличение объема таких нефтей происходит с некоторым запаздыванием. Поэтому изменение пластового давления в залежи будет зависеть не только от отобранного объема нефти, но и от времени отбора т. е. от его темпа. Однако эффект будет ощущаться лишь при реализации естественного режима в «чистом» виде. При внедрении в залежь воды, влиянии свободного газа или действии других факторов эта особенность будет малоощутимой.

Напор пластовых вод может оказать влияние на показатели разработки и эксплуатации нефтяного месторождения в случае крутопадающего водоносного пласта. Систему водоносный пласт - нефтеносный пласт можно рассматривать как два сообщающихся сосуда. Снижение давления в нефтяной части за счет отбора нефти из скважин компенсируется подпором воды из «сообщающегося сосуда» - водоносного пласта. Таким образом формируется водонапорный режим.

Поддержание пластового давления при эксплуатации месторождения может происходить за счет энергии расширения свободного газа, находящегося в купольной части залежи. Такое скопление газа называется «газовой шапкой», а соответствующий режим разработки - режимом газовой шапки.

Рис. 1.1. Относительное изменения пластового давления (Р, Рн пл - текущее и начальное пластовое давление) и газового фактора (Г, Гр - текущий и растворенный в нефти газовый фактор) в зависимости от текущего коэффициента нефтеотдачи η при различных режимах работы залежи. I, II, III - пластовое давление соответственно при режимах водонапорном, газонапорном и растворенного газа;

1, 2, 3 - газовый фактор при режимах водонапорном, газонапорном и растворенного газа

При разработке месторождения на таком режиме стараются не отбирать газ из газовой шапки, поскольку это приведет к уменьшению запаса пластовой энергии. При этом начинается выделение газа из нефти в нефтяной части и развивается режим растворенного газа. Кроме того, при больших отборах газа из газовой шапки может произойти сильное падение давления в газовой части, в результате уровень газонефтяного контакта начнет повышаться - произойдет вторжение нефти в газовую зону. Часть нефти смочит породу и будет потеряна для добычи.

При снижении давления из нефти выделяется растворенный газ. Упругость сжатых пузырьков газа является одним из источников пластовой энергии. Режим разработки, основанный на использовании этого вида пластовой энергии, называется режимом растворенного газа. Нефтеотдача месторождения на таком режиме не превышает 20 - 30% от начальных запасов. Обычно режимы газовой шапки и растворенного газа проявляются вместе с различной интенсивностью.

Достоверно определить режим разработки нефтяной залежи, особенно на ранней стадии, зачастую затруднительно. Это связано с тем, что непосредственным наблюдением нельзя определить, что вытесняет нефть в пласте - вода или газ, какая именно вода - законтурная, например, или закачиваемая извне (если действует несколько причин, то какая из них преобладающая). Графики (рис. 1.1) для определения режимов разработки также малопригодны, поскольку для их надежного построения требуются соответствующие данные промысловых замеров в течение достаточно длительного периода, не менее нескольких лет, не говоря уже о том, что массовые замеры дебитов, пластовых давлений и газовых факторов по всем скважинам - трудоемкая и часто нереализуемая задача. В таких условиях целесообразно использование косвенных, диагностирующих показателей. С одной стороны, эти показатели должны хорошо коррелироваться с режимами разработки, с другой, быть достаточно просто и точно измеримы. Таким образом, задача определения режима разработки сводится к задаче его диагностирования по набору косвенных признаков. Поскольку результаты замеров случайным образом могут изменяться от скважины к скважине, а также во времени, то для обработки промысловой информации необходимо применять методы теории вероятности и математической статистики.

Для определения режима разработки нефтяного пласта, например, степени развития на месторождении водонапорного режима, может быть использован диагностирующий подход. Исследованиями установлено, что соотношения объемов воды и нефти влияют на составы как свободного газа, так и газа, растворенного в нефти. В связи с этим состав добываемого газа может быть использован как информативный признак для определения режима разработки пласта.

При водонапорном режиме увеличивается объем пласта, занятый водой, т. е. отношение Vн/Vг растет. По этой же причине снижение этого отношения свидетельствует о проявлении режима растворенного газа. Зная зависимость состава газа от величины этого отношения, определяя изменение его состава, можно диагностировать развитие того или иного режима. Поскольку различные компоненты по-разному реагируют на изменение соотношения Vн/Vг, то используется интегральный показатель, характеризующий изменение компонентного состава. В связи с тем что физическое обоснование связи изменения того или иного компонента с изменением отношения Vн/Vгдать затруднительно, для диагностирования режима подобным образом используется метод ранговой классификации.

Для примера ниже приведено ранжирование компонентов газа по скважинам Федоровского месторождения Западной Сибири (приведены только два компонента, ранжирование остальных проводится аналогично).

Функцию классификации R для конкретного состава газа (отобранного из определенной скважины) получают суммированием рангов всех признаков. Необходимо отметить, что при вводе месторождения в разработку для установления режима залежи требуется некоторый период времени, и режим оценивается в целом по пласту. Вместе с тем, в ходе разработки возможна смена режимов пласта. Поэтому состав газа необходимо анализировать по скважинам, которые исследовались в течение одного промежутка времени (например, в течение квартала или года). Проводя аналогичные определения через некоторые промежутки времени, можно определить динамику функции классификации R. По данным лабораторных исследований и анализа разработки ряда месторождений установлено, что рост функции классификации указывает на возрастание отношения Vн/Vг, а следовательно, на развитие водонапорного режима. Соответственно, уменьшение R свидетельствует об интенсификации режима растворенного газа. Так, по Федоровскому месторождению в течение второго и третьего годов разработки наблюдалось уменьшение R, что говорит о режиме растворенного газа. В дальнейшем интенсивная закачка воды привела к водонапорному режиму, в это же время наблюдается рост R (рис. 1.2).

СH₄, % ..…….. 80 80 - 85 85 - 90 90 - 95 95 - 100

С₂H₆, % ..…... 0 - 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 > 4

Ранг ....……... 1 2 3 4 5

Важным параметром нефтяной залежи кроме пластового давления является давление насыщения нефти газом Рнас. При снижении пластового давления ниже этой величины из нефти начинает выделяться газ. Давление насыщения определяют на основе лабораторных исследований проб нефти. Применение этого метода затруднительно при глубокозалегающих пластах из-за сложностей отбора представительных проб нефти. Поэтому возникает необходимость в использовании экспресс-метода достоверной оценки давления насыщения, а также и текущего пластового давления в залежи.

Такой метод заключается в определении зависимости давления насыщения от характерных параметров нефтяной залежи. Анализ, проведенный по большому числу нефтяных месторождений страны, показал, что на давление насыщения влияют: плотность, нефти; содержание в нефти парафинов, асфальтенов, смол; компонентный состав растворенного газа; содержание в нефти углекислого газа, азота, а также пластовая температура и газовый фактор. Перечисленные признаки, характеризующие свойства нефти и газа, могут быть определены по поверхностным анализам.

Затем строят математическую зависимость давления насыщения от указанных факторов. Таким образом, оказывается возможным без проведения соответствующих глубинных замеров и отбора глубинных проб только по данным устьевой информации прогнозировать давление насыщения.

С другой стороны, процедура определения давления насыщения по косвенным показателям требует апробирования для оценки ее точности и надежности. Для этого полученные зависимости проверяются по точным значениям данной величины, например при наличии представительных глубинных проб. Если апробация метода дает удовлетворительные результаты, то его можно использовать в тех случаях, когда точные определения провести по той или иной причине нельзя.

Рис.1.2. Зависимость критерия рангов R и пластового

давления Рпл от времени для Федоровского месторождения

Естественно, что в чистом виде все рассмотренные выше режимы в реальных условиях не встречаются. Обычно одновременно проявляются различные источники пластовой энергии с той или иной интенсивностью. Режим работы залежи в процессе эксплуатации изменяются. Как правило, основную роль играет какой-либо один фактор, а остальные являются второстепенными. По мере эксплуатации происходит смена главенствующего фактора. Такое изменение может происходить, в частности, естественным путем. Например, при начальном пластовом давлении в залежи, превышающем давление насыщения. В начальный период будет развиваться упругий режим, а затем главенствующим становится режим растворенного газа. Аналогичным образом вследствие инерционности водяной зоны или наличия плохопроницаемых границ может задерживаться проявление упруговодонапорного режима. Другой причиной инерционности может явиться ползучесть пород, когда сжатие скелета при снижении давления происходит не мгновенно, а с запаздыванием.

Разработка месторождений только за счет естественных источников пластовой энергии малоэффективна и позволяет получить небольшие конечные коэффициенты нефтеотдачи. Это связано с быстрым истощением начальных запасов пластовой энергии по мере отбора нефти из залежи. Для повышения эффективности существующего режима разработки используют искусственное воздействие на нефтяную залежь. При этом можно как улучшить характеристики существующего режима работы залежи, так и заменить его на более эффективный в данных условиях.

Основным видом разработки месторождений в настоящее время является режим разработки с поддержанием пластового давления. Методы поддержания пластового давления различаются как по способу ввода агентов в пласт, так и по их составу и свойствам.

Для поддержания пластового давления в пласт закачивают воду, водные растворы полимеров, щелочные растворы, пены, газ, углекислый газ, пар, эмульсии, мицеллярные растворы и т. п. Выбор того или иного агента для закачки в пласт в каждом конкретном случае определяется свойствами нефти, коллектора, системой разработки и другими причинами. При этом закачиваемый в пласт агент выполняет две основные функции: поддержание пластового давления и улучшение процесса вытеснения нефти из пласта в добывающие скважины.

Закачиваемый агент поступает в пласт через нагнетательные скважины. Располагают нагнетательные скважины по площади месторождения в различном порядке, который определяется условиями конкретного месторождения.

На месторождениях высоковязких нефтей применяют тепловые методы воздействия: закачку пара или создание внутрипластового очага горения.. В последнем случае под действием высокой температуры происходит интенсивное окисление (горение) части нефти в пласте. Это приводит к образованию большого количества горячих газов. В результате происходит повышение давления в пласте и улучшение вытеснения нефти.