Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений
..pdfРис. 3.1. Динамика_ относительного отбора жидкости, нагнетания воды, по требности в воде V и нефтеотдачи ц во времени (по М. Л. Сургучеву):
1. |
/' — соответственно добыча нефти и |
нефтеотдача при режиме растворенного газа; |
|||||||
2, |
2', |
3 — соответственно |
добыча |
нефти, |
нефтеотдача |
и отбор жидкости при |
заводне |
||
нии; |
4 — потребность в |
воде при |
полном |
возврате сточных вод; |
5 —расход нагнетания |
||||
воды. |
Штриховка: |
вертикальная — эффект в добыче |
нефти от |
заводнения; |
косая — |
||||
экономия (возврат) |
воды |
|
|
|
|
|
|||
принимают с |
учетом проницаемости и |
трещиноватости |
пород |
до 5—50 мг/л, причем с увеличением трещиноватости повыша ется допустимое содержание. Диаметр фильтрационных кана лов должен быть в 3—6 раз больше диаметра частиц. Пригод ность воды оценивается в лаборатории (стандартный анализ состава и свойств, опыты по затуханию фильтрации через есте ственный керн) и пробной закачкой в пласт. Следует отметить, что количество ежегодно закачиваемого в каждую скважину загрязняющего материала достигает нескольких тонн.
Источники закачиваемой воды могут быть разные. В на стоящее время используют воды: открытых водоемов (рек, озер, водохранилищ, морей); грунтовые (подрусловые и артезиан ские); глубинные (нижних и верхних глубинных горизонтов); сточные.
Грунтовые воды характеризуются значительным многообра зием химического состава (минерализация 100—200 мг/л), не большим содержанием взвешенных частиц. Их можно закачи вать без специальной подготовки.
Воды глубинных горизонтов в большей степени минерализо ваны и также не требуют дополнительной обработки.
Воды поверхностных водоемов значительно уступают по ка честву грунтовым и глубинным, содержат большое количество механических примесей (глины, ила, песка), особенно в период ливней, паводков, снеготаяния, штормов, способны вызвать на бухание глин, кроме морской воды (минерализация черномор ской и каспийской вод составляет 16 и 13 г/л).
Сточные воды состоят в основном из пластовых (в целом по
ССС° около 83% ), добываемых вместе с нефтью, пресных (12 %), подаваемых в установки подготовки нефти, и ливневых (5 %) вод. Они минерализованы (15—3000 г/л) и обладают хорошими нефтевытесняющими свойствами. Вместе с тем
сточные воды содержат большое количество эмульгированной нефти, механических примесей, а также диоксида углерода и сероводорода. Необходимость очистки от механических приме сей и эмульгированной нефти удорожает использование сточ ных вод, однако при этом решается проблема охраны окружаю
щей среды и утилизации |
(канализации) сточных вод. |
В системах заводнения |
используется 'более 60 % сточных |
вод, остальной объем все еще закачивается в поглощающие скважины или* сбрасывается в бессточные испарители. Сброс промысловых сточных вод в водоемы полностью прекращен. Следует отметить, что система ППД динамична: сначала ис пользуются воды внешних источников, а затем — пластовая вода по замкнутому циклу (безотходное производство).
Для проведения ППД можно использовать также стоки других промышленных предприятий (нефтеперерабатывающих заводов, калийных комбинатов, коммунальных хозяйств и др.). Источник воды выбирают на основе данных технико-экономиче ского анализа с учетом технологии водоподготовки. На место рождениях Татарии и Башкирии используют поверхностные пресные воды, Азербайджана, Мангышлака — каспийскую воду, Западной Сибири — подземную воду.
Водоснабжение с использованием поверхностных и грунтовых вод
Технологические схемы водоснабжения могут отличаться друг от друга в зависимости от местных условий каждого нефтепро мыслового района. Однако любая технологическая схема с ис пользованием воды поверхностных водоемов в качестве источ ников водоснабжения включает все основные элементы, пока занные на рис. 3.2. Водозаборные сооружения (водозаборы) и водоочистная станция включают в себя также буферные емко сти для резерва воды, обеспечивающего обычно шестичасовую непрерывность водоподачи при ремонтных остановках или ава риях (порывах водоводов и т. д.). Буферные емкости — это подземные железобетонные или наземные обогреваемые и теп лоизолированные стальные резервуары.
Водозаборы и насосные станции 1-го подъема предназна чены для забора воды из источников и подачи ее на водоочист ную станцию или насосную станцию 2-го подъема. Водозаборы бывают открытого и закрытого типов. В первом случае всасы вающая труба насосов 1-го подъема выводится в водоем, а прием ее защищается сеткой и железобетонным оголовком. Предпочтителен водозабор закрытого типа, или так называе мый подрусловый, который обеспечивает подачу воды, почти не содержащей механических примесей. В данном случае вода поступает из водозаборных скважин глубиной 10—50 м, пробу
ренных |
на |
подрусловыи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
слой |
галечника |
или пе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ска. |
Он |
питается |
водой |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
поверхностного |
водоема |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(реки), обладает высокой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
проницаемостью |
и |
явля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ется |
естественным |
филь |
Рис. |
3.2. Технологическая |
схема |
водоснаб |
|||||||
тром. |
Скважины |
|
бурят |
||||||||||
|
жения системы ППД*. |
|
|
|
|
|
|
||||||
на расстояниях от берега |
|
|
|
|
|
|
|||||||
1 — водозабор; 2 —насосная |
станция |
1-го |
подъ |
||||||||||
реки |
70—90 |
м и |
между |
ема; |
3 — буферные емкости |
для исходной |
воды; |
||||||
4 —водоочистная станция; |
5 — буферные |
емкости |
|||||||||||
собой не более 170 м. Та |
для |
подготовленной воды; |
6 — насосная |
станция |
|||||||||
кой |
водозабор |
|
может |
2-го |
подъема; 7 — магистральный водовод; |
8 — |
|||||||
|
кустовые насосные станции; |
9 — разводящие |
водо |
||||||||||
быть |
|
индивидуальным |
воды; 10 — нагнетательные |
скважины |
|
|
|
|
|||||
или |
сифонным |
(группо |
|
|
|
|
|
|
|
|
вым). При индивидуальном водозаборе, когда уровень воды на ходится на глубине более 8 м, в каждую скважину опускают вертикальный погружной центробежный артезианский насос с электродвигателем. Вода подается по сборному водоводу сразу в буферные емкости насосной станции 2-го подъема.
Предпочтение отдается сифонному водозабору, который на 15—25 % дешевле индивидуального.
Устье каждой скважины размещается в колодце и с по мощью приемного коллектора подсоединяется к вакуумным котлам. В этих котлах посредством вакуумных насосов созда ется вакуум до 0,08 МПа. Вакуум-котлы высотой около 7 м устанавливают вместе с центробежными электронасосами на сосной станции 1-го подъема в бетонной шахте глубиной 9— 17 м. Вода под вакуумом поступает в вакуум-котлы, а дальше подается насосами в буферные емкости насосной станции 2-го подъема.
Может встречаться артезианский водозабор грунтовых вод закрытого типа. Применяемые водозаборы аналогичны тако вым общепромышленного и коммунального водоснабжения.
Водоочистная станция предназначена для подготовки воды, поступающей из открытого водозабора. Подготовка воды дол жна включать следующие системы: а) фильтрационную для удаления из воды механических примесей; б) обескислорожи вания воды и удаления коррозионно-активных газов; в) бакте рицидной обработки воды для подавления бактерий; г) солевой обработки воды, обеспечивающей совместимость ее с пласто вой; д) автоматизированного управления подготовкой воды и контроля за ее качеством в основных точках системы подго товки и на устье нагнетательных скважин.
Для фильтрования вода подается в нижнюю часть верти кального смесителя, перед которым в нее добавляют дозатором жидкий коагулянт (сернокислый алюминий, глинозем или же лезный купорос), способствующий укрупнению извещенных
частиц. Из смесителя вода самотеком поступает в суспензионные осветители (или горизонтальные отстойники), где образуются оседающие на дно хлопья, а затем проходит через песчаные
фильтры сверху |
вниз. Очищенная вода самотеком собирается |
в резервуарах. |
Обескислороживание воды обеспечивается |
встречным пропусканием потоков воды и газа в вертикальных колоннах или обработкой химическими реагентами, связываю щими свободный кислород и выводящими его в осадок.
Подавление бактерий достигается обработкой воды хлори дом, формальдегидом, алкилфосфатом и др. С целью подщела чивания воды при коагуляции, а также для ее умягчения, обезжелезивания и стабилизации перед смесителем в воду до бавляют гашеную известь, кальцинированную воду, едкий натр
или |
раствор |
аммиака. |
Подготовка |
сточных вод |
рассмотрена |
в гл. |
11. |
станции |
2-го подъема |
размещают, |
как правило, |
Насосные |
в местах сосредоточения основных сооружений системы ППД
(водозабор, станция водоподготовки, |
ремонтные |
цехи и др.) |
|||
или совмещают с одной из кустовых |
насосных |
станций |
|||
(КНС). |
изготовляют |
в |
блочном |
исполнении |
|
Современные КНС |
|||||
(блочные КНС — БКНС) |
индустриальным |
способом |
(в завод |
ских условиях). В состав БКНС входят блоки: насосные; рас пределительных гребенок; электрического распределительного устройства; низковольтного оборудования; управления и авто матики (могут работать практически без обслуживающего пер сонала при периодической проверке функционирования отдель ных узлов). Оборудование каждого блока смонтировано на металлической раме в железобетонной плите, на которой уста новлено укрытие (вагон). Монтаж БКНС осуществляют в те чение 3—4 мес посредством мощных автокранов. Блочное строительство позволило существенно сократить сроки соору жения системы ППД и осуществлять ППД на ранних стадиях разработки. БашНИПИнефть разработал нормальный ряд БКНС с центробежными насосами типа ЦНС (расход 150 м3/ч, давление на выходе 10; 12,5; 15; 17,5 и 20 МПа). В зависимо сти от числа насосных блоков БКНС имеют подачу 3600, 7200 и 10 800 м3/сут. Каждая БКНС обеспечивает закачку воды в 3—15 нагнетательных скважин. Воду в скважины подают по индивидуальному водоводу, регулирование расхода осущест вляют дросселированием, а измерение — диафрагменными счет чиками.
Магистральные водоводы строят кольцевыми (для больших месторождений с перемычками), лучевыми и линейными. Они работают при давлениях до 3 МПа. Разводящие водоводы ра ботают при очень высоких давлениях, достигающих 25 МПа. Диаметры их соответственно составляют 300—1020 м. Изготов-
124
ляют водоводы из цельнотянутых бесшовных стальных труб и зарывают в грунт ниже глубины промерзания.
Устья нагнетательных скважин оборудуют специальной на гнетательной арматурой, рассчитываемой на рабочие давления 21 и 35 МПа и температуру не выше 120 °С (АНК 1-65X210 и АНК 1-65x350). Основные ее части — трубная головка и ёлка. Трубная головка состоит из крестовины, задвижек и быстро сборного соединения, предназначенного для подключения нагне тательной линии к затрубному пространству при выполнении ремонтных и интенсифицирующих работ. Елка состоит из ство ловых задвижек, тройника, боковых задвижек и обратного кла пана.
Для борьбы с коррозией трубопроводов и оборудования си стемы ППД предложено: обрабатывать воду химическими ин гибиторами коррозии (ИКН-1, ИК.Н-2, ИК.Б-4, полиэтоксиами ном и другими веществами с защитным эффектом 50—100 %); применять катодную и протекторную защиту; покрывать по верхности защитными изоляционными материалами (эпоксид ными смолами, лакокрасками) и футеровать внутреннюю по верхность новых труб винипластовыми и полиэтиленовыми тру бами; использовать неметаллические материалы (стеклопласти ковые трубы). Это предотвращает аварийные порывы водово дов, загрязнение окружающей среды, повышает срок службы насосов и др. В последние годы большое внимание уделяется защите от коррозии подземного оборудования нагнетательных скважин (цементаж до устья, катодная защита, внутренние по крытия).
Воды глубинных горизонтов, как правило, превосходят по качеству воды других источников. Технологические схемы за-, бора и подачи воды глубинных горизонтов в нагнетательные скважины можно классифицировать по нескольким признакам:
по виду используемой энергии: с естественным перетоком воды из водоносного пласта в нефтяной под воздействием есте ственной разности приведенных давлений в них; с принудитель ным перетоком (закачкой) с помощью поверхностных или по гружных насосов;
по взаимному расположению пластов: с нижним перетоком (водоносный пласт залегает ниже нефтяного; с верхним перето ком (наоборот);
по наличию и расположению КНС: без применения КНС; с наземными КНС; с подземными «кустовыми насосными стан циями» (насосы размещены в скважинах);
по выходу воды на поверхность: с внутрискважинным пере током, при котором вода глубинного водоносного горизонта по дается в нефтяной пласт без выхода ее на поверхность; с внеш нескважинным перетоком, когда вода подается из скважины на поверхность, а затем закачивается в соседние нагнетательные
скважины или в ту же скважину по второму каналу (водоза борно-нагнетательную скважину);
по совмещению функций нагнетательной и водозаборной скважин: без совмещения, когда бурятся отдельно водозабор ные и нагнетательные скважины; с совмещением, когда одна и та же скважина выполняет одновременно функции водозабор ной и нагнетательной скважин (с водозаборно-нагнетательными скважинами);
по восполнению запасов глубинных вод: без восполнения за пасов; с восполнением запасов путем перевода поверхностного стока в подземный (пример в условиях Речицкого нефтяного месторождения, когда в том числе совмещался процесс водо подготовки) .
Часть схем, классифицируемых по разным параметрам, мо гут объединяться в одну. В качестве примера рассмотрим наи более интересные с позиций наличия условий для применения технологические схемы.
Естественный нижний или верхний внутрискважинный пере ток в водозаборно-нагнетательной скважине без применения КНС возможен как по насосно-компрессорным трубам (НКТ) с установкой пакера между вскрытыми перфорацией в данной скважине водоносным и нефтяным пластами, так и по обсад ной колонне без установки пакера (рис. 3.3). Для измерения расхода воды в обсадную колонну или в специальную камеру, расположенную в рассечке НКТ на линии перетока, можно спускать на кабеле (при дистанционной регистрации) или на стальной проволоке (при местной регистрации) скважинный расходомер. Расход можно регулировать посредством скважин ных штуцеров, оттарированных на поверхности или управляе мых дистанционно с поверхности (механическим, электриче ским или иным путем) и спускаемых в скважину с помощью, например, канатной техники (т. е. с помощью каната — сталь ной проволоки). Такая схема может оказаться применимой при заводнении предварительно истощенных месторождений, когда разница приведенных давлений достаточна для поглощения по требных расходов воды. В других случаях возникает необходи мость в принудительном перетоке.
При принудительном перетоке в скважину на НКТ или на кабеле-канате спускают погружной центробежный электронасос. Пласты разобщают пакером, который для предупреждения его смещения под действием силы (150 кН), обусловленной перепа дом давления, закрепляют в обсадной колонне специальным устройством — якорем. Эта схема нашла применение на место рождениях Башкирии, Куйбышевской области и др.
Применительно к условиям Западной Сибири разработаны технологические схемы как с наземными, так и подземными КНС, з именно:
Рис. 3.3. Схемы оборудования водозаборно нагнетательных скважин при естественном нижнем (а) и верхнем (б) внутрискважинном перетоке:
1 — НКТ; |
2 — обсадная |
колонна; |
|||
3 —интервалы |
перфорированных |
||||
труб; |
4 — нефтяной |
пласт; 5 — ка |
|||
мера |
для |
установки |
дебитомера |
||
(расходомера); |
6 — пакер (раздели |
||||
тель); |
7 — водяной |
пласт; 5 — |
|||
муфта |
|
перекрестного |
течения |
жидкости
сназемными КНС: а) вода из фонтанирующих водозабор ных скважин, поступает в блок водоподготовки и далее насо сами КНС подается в нагнетательные скважины; перед КНС можно устанавливать погружной подпорный насос, располо женный в скважине-шурфе; б) вода из водозаборной скважины повышенной производительности погружным насосом подается на КНС и затем в нагнетательные скважины;
сподземными КНС: а) вода из водозаборной скважины по гружным электронасосом с повышенными напором и подачей направляется по разводящим водоводам в нагнетательные
скважины (совмещается водозаборная скважина с КНС); могут также совмещаться отдельные нагнетательные скважины с водозаборными или применяться для подпора погружные вы соконапорные насосы, установленные в скважинах-шурфах; б) в водозаборно-нагнетательной скважине осуществляется при нудительный внутрискважинный переток (совмещается водоза борно-нагнетательная скважина с подземной КНС).
Результаты расчетов показали, что применение таких схем по сравнению со схемами использования вод наземных водоис точников обеспечивает снижение себестоимости и удельных ка питальных вложений на закачку 1 м3 воды приблизительно на 35 и 10 %. Практическая реализация рассмотренных схем на месторождениях Западной Сибири базируется на использова нии вод вышезалегающего апт-альб-сеноманского комплекса, распространяющегося в пределах всех основных нефтяных ме сторождений региона. Дебиты водозаборных скважин при от крытом изливе достигают 3—4 тыс. м3/сут при наличии песка
до 5 г/дм3. Забои оборудуют |
противопесочными фильтрами, |
а на поверхности устанавливают |
отстойники для улавливания |
песка. |
|
Одновременно-раздельная закачка воды
Эта закачка означает подачу воды отдельно в каждый пласт многопластового месторождения под разным давлением в со ответствии с его коллекторскими свойствами. В случае подачи воды при одном давлении ускоренно обводняются высокопро ницаемые пласты, а малопроницаемые' пласты в разработку практически не вовлекаются. Это приводит к преждевремен ному обводнению продукции добывающих скважин, необходи мости осуществления ремонтно-изоляционных работ, увеличе нию продолжительности и стоимости разработки месторож дения.
Способы регулирования закачки воды (аналогично и газа) по отдельным пластам могут включать следующее: подведение к устью нагнетательной скважины водоводов высокого и низ кого давлений и подачу воды по колонне НКТ и по затрубному пространству в разобщенные пакером пласты; подачу воды под высоким давлением по одному каналу и распределение ее по отдельным пластам при помощи сменных или регулируемых забойных штуцеров; периодическую закачку воды в высокопро ницаемые пласты путем отключения их пакерами или эластич ными шариками; комбинацию рассмотренных методов.
Среди предложенного оборудования можно выделить одно- и двухпакерные конструкции. Второй, верхний, пакер приме няют при необходимости закачки воды в верхний пласт под давлением, превышающим прочностную характеристику обсад ной колонны. При закачке в три и более пластов могут исполь зоваться одно- и многоколонные конструкции с применением забойных регуляторов расхода.
§ 3.3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПРИ ЗАВОДНЕНИИ
Назначение гидродинамических методов — увеличение коэффи циента охвата малопроницаемых нефтенасыщенных объемов пласта вытесняющей водой путем оптимизации режимов нагне тания и отбора жидкости при заданной сетке скважин и по рядке их ввода в работу. Эти методы представляют собой даль нейшую оптимизацию технологии процесса заводнения и по этому не требуют существенного изменения ее.
Циклическое заводнение
Метод разработан во ВНИИнефти, впервые применен в 1964 г. на Покровском месторождении. Технология его заключается в периодическом изменении расходов (давлений) закачиваемой воды при непрерывной или периодической добыче жидкости из
128
залежи со сдвигом фаз колебаний давления по отдельным груп пам скважин. В результате такого нестационарного воздейст вия на пласты в них проходят волны повышения и понижения давления. Физическая сущность процесса состоит в том, что
при |
повышении давления |
в |
залежи в первой половине цикла |
(в |
период нагнетания воды) |
нефть в малопроницаемых про |
|
слоях (зонах) сжимается |
и в них входит вода. При снижении |
давления в залежи во второй половине цикла (уменьшение рас хода или прекращение закачки воды) вода удерживается ка пиллярными силами в малопроницаемых прослоях, а нефть вы ходит из них. Продолжительность циклов должна составлять 4— 10 сут и увеличиваться по мере удаления фронта вытеснения до 75—80 сут.
Основные критерии эффективного применения метода по сравнению с обычным заводнением следующие: а) наличие сло исто-неоднородных или трещиновато-пористых гидрофильных коллекторов; б) высокая остаточная нефтенасыщенность (бо лее раннее применение метода: на начальной стадии повыше ние нефтеотдачи составляет 5—6 % и более, тогда как на поздней — лишь 1—1,5%); в) технико-технологическая возмож ность создания высокой амплитуды колебаний давления (рас ходов), которая реально может достигать 0,5—0,7 от среднего перепада давления между линиями нагнетания и отбора (сред него расхода); г) возможность компенсации отбора закачкой (в полупериод повышения давления нагнетания объем закачки должен увеличиваться в 2 раза, а в полупериод снижения дав ления— сокращаться до нуля в результате отключения нагне тательных скважин).
Циклическое заводнение означает, что в общем случае каж дая из нагнетательных и добывающих скважин работает в ре жиме периодического изменения забойного давления (расхода, отбора). Осуществление метода требует увеличения нагрузки на нагнетательное и добывающее оборудование. Для обеспече ния более равномерной нагрузки на оборудование залежь не обходимо разделить на оггделцные блоки со смещением полупериодов закачки и отбора. Оснащение промыслов совре менными насосами позволяет осуществлять процесс без допол нительных затрат на переустройство системы заводнения. Пол ная остановка нагнетательных скважин может потребовать ис пользования высоконапорных насосов, рассчитанных на давле ния 25—40 МПа, или привести к замерзанию скважин и водо водов в зимнее время. Метод способствует увеличению текущего уровня добычи нефти и конечной нефтеотдачи.
Изменение направлений фильтрационных потоков
Идея метода высказывалась А. П. Крыловым, Ю. П. Борисо вым, М. Л. Сургучевым и др. Впервые он был применен в 1968 г. на Покровском месторождении. Технология метода заключа ется в том, что закачка воды прекращается в одни скважины и переносится на другие, в результате чего обеспечивается из менение направления фильтрационных потоков до 90°.
Физическая сущность процесса состоит в следующем. Вопервых, при обычном заводнении вследствие вязкостной неус тойчивости процесса вытеснения образуются целики нефти, обойденные водой. Во-вторых, при вытеснении нефти водой водонасыщенность вдоль направления вытеснения уменьшается (см. рис. 2.2, в и 2.3). При переносе фронта нагнетания в пла сте создаются изменяющиеся по величине и направлению гра диенты гидродинамического давления, нагнетаемая вода внед ряется в застойные малопроницаемые зоны, большая ось кото рых теперь пересекается с линиями тока, и вытесняет из них нефть в зоны интенсивного движения воды. Объем закачки вдоль фронта целесообразно распределить пропорционально оставшейся нефтенасыщенности (соответственно уменьшаю щейся водонасыщенности).
Изменение направления фильтрационных потоков достига ется за счет дополнительного разрезания залежи на блоки, оча гового заводнения, перераспределения отборов и закачки между скважинами, циклического заводнения. Метод технологичен, требует лишь небольшого резерва и мощности насосных стан ций и наличия активной системы заводнения (поперечные раз резающие ряды, комбинация приконтурного и внутриконтурного заводнений и др.). Он позволяет поддерживать достигну тый уровень добычи нефти, снижать текущую обводненность и увеличивать охват пластов заводнением. Метод более эффек тивен в случае повышенной неоднородности пластов, высоко вязких нефтей и применения в первой трети основного периода разработки.
Создание высоких давлений нагнетания
Величина давления нагнетания влияет на технико-экономиче скую эффективность заводнения. В практике заводнения на блюдается тенденция к повышению давления нагнетания на устье с 5 до 16—20 МПа, а в отдельных случаях до 20—30 и даже 40 МПа.
Обобщение опыта заводнения и специальные исследования, выполненные А. В. Афанасьевой, А. Т. Горбуновым, И. Н. Шустефом, Р. Н. Дияшевым, показали следующее: при сущест вующих режимах закачки воды заводнением охватывается
130