4.2. Сила и энергия в пласте-коллекторе

4.2.1. Источники пластовой энергии

(Слайд 1G4_5)

Нефть и газ в пластовых условиях находятся под действием сил, способствующих их перемещению к забоям эксплуатационных скважин или, наоборот, удерживающих в пласте. К основным источникам энергии, проявляющейся при движении подземных флюидов к забоям действующих скважин, по данным М. Маскета (1953), относятся:

- сжимаемость нефти и воды в породах-коллекторах;

- гравитационная энергия нефти в верхних слоях пласта по сравнению с энергией на его погружении;

- упругость сжатого и растворенного газа в нефти и воде внутри продуктивного слоя или в зонах свободного газа, лежащих над горизонтом, насыщенным нефтью;

- упругое сжатие воды в пластах, сообщающихся с нефтяным резервуаром.

Энергия пласта расходуется на преодоление сопротивления породы течению жидкостей и газа, перемещающихся в области с более низкими энергией и давлением. Дополнительным источником энергии, который может играть некоторую роль в нефтеотдаче, является упругое сжатие самой породы. После снижения пластового давления в какой-то мере может произойти изменение объема норового пространства пород-коллекторов, связанное с воздействием горного давления. Однако этот процесс в достаточной мере еще не изучен и нет ясности о характере его эффективности.

4.2.1.1. Давление

(Слайд 1G4_6)

К основным источникам давления жидкостей в нефтяных пластах относятся вес столба воды над точкой измерения давления на поверхности Земли и вес перекрывающих продуктивный пласт пород.

В большинстве нефтяных залежей пластовое давление равно весу столба воды до пьезометрической поверхности, или статического уровня. Однако в некоторых залежах основным источником пластового давления является давление, передаваемое вмещающими породами (коллекторами).

Превышение пластового давления над нормальным наблюдается в залежах, приуроченных к изолированным линзам, не имеющим гидродинамической связи с площадью питания на поверхности Земли. Под действием веса налегающих пород мягкие (компетентные) осадочные породы уменьшаются в объеме главным образом за счет изменения порового пространства, что приводит к возрастанию пластового давления. Давление, развивающееся в результате уплотнения мягких пород, передается воде, содержащейся в поровой системе, и определяет градиент давления.

Жидкости и газы, заключенные в порах коллектора, залегают под определенным давлением, которое называют пластовым.

Пластовое давление, измеряемое в кГ/см², характеризует давление, существующее в пласте перед началом отбора нефти и газа или после того, как установится режим эксплуатации залежи. С глубиной залегания пласта оно повышается почти линейно. В ряде случаев еще до вскрытия залежи ее пластовое давление можно приблизительно подсчитать путем умножения глубины залегания залежи, находящейся ниже уровня подземных вод, на 0,1. Однако, как указывает С. Д. Пирсон (1961), из этого правила имеется много исключений, особенно для глубин более 2100 м, что связывают с пластической деформацией части горных пород. Степень повышения давления в пласте в нисходящем направлении колеблется от 0,45— 0,68 кГ/см²до 2,04—2,3 кГ/см²на каждые 10 м глубины скважины.

Статическое давление создается в скважине у забоя при остановке ее на значительное время для восстановления давления столба газа и жидкости до давления в нефтеносном пласте. Статическое давление на забое действующей скважины обычно ниже начального пластового давления в залежи. Разность между начальным пластовым давлением и давлением в закрытой скважине соответствует степени падения пластового давления.

Нефть и газ, образующие залежи, обычно находятся под высоким давлением, которое создается напором краевых, или подошвенных вод, а также давлением лежащих выше горных пород. Давление, оказываемое весом пород, в среднем составляет примерно 0,23 кГ/см²на 1 м. Такое давление называют геостатическим давлением Земли. Давление, возникающее как следствие диастрофизма и деформации пород, называют геодинамическим давлением.

Под горным давлением понимают давление горных пород друг на друга. Основное различие между давлением в жидкостях и горным давлением заключается в передаче гидростатического давления через жидкости, заполняющие поровую систему. Горное давление передается через породу, ее составные элементы, воспринимающие нагрузку. Если объем поровой системы, заполненной жидкостями, изменяется под действием горного давления, то последнее передается на жидкости. Давление нефти и газа в залежах всегда меньше горного давления.

Гидростатический напор является причиной подъема воды в во-доносном горизонте над его кровлей, когда последний вскрыт скважиной, по достижении статического уровня. Вода в стволе скважины поднимается до определенного уровня, пока столб воды не уравновесит пластовое давление. Скважина играет роль водяного манометра. Поверхность равновесия воздушно-водяного зеркала при 1 am, изображенная графически для одного и того же водяного горизонта, называется пьезометрической, а наблюдательные скважины — пьезометрами. В случае нахождения пьезометрической поверхности выше кровли водоносного горизонта пробуренная скважина является артезианской. При горизонтальной пьезометрической поверхности движения воды в пласте не наблюдается и преобладают гидростатические условия. Наличие наклонной поверхности указывает на существование гидродинамического градиента давления, обеспечивающего движение воды из области с большим напором в область с меньшим напором. Гидродинамический градиент выражается в метрах падения напора на 1 км.

При отборе жидкости из скважины пластовое давление вокруг нее падает, создается местный градиент гидродинамического давления. Депрессионные воронки, образовавшиеся вокруг таких скважин, смыкаются друг с другом до тех пор, пока пластовое давление на всей площади залежи не станет меньше начального пластового давления. Падение пластового давления при отборе нефти и газа распространяется по залежи с различной скоростью и на разные расстояния в зависимости от проницаемости пород-коллекторов, и условий их залегания в пласте. При значительных углах наклона газового и нефтяного пласта начальное пластовое давление в различных его частях различно, причем в сводовой части залежи оно будет наименьшим, на крыльях — наибольшим.

Противодавлением называют давление, создающееся в скважине, тормозящее выход нефти и газа из пласта, иначе — сопротивление фонтанированию из скважины. Это давление измеряют на головке обсадной трубы; к нему добавляют давление на пласт, образуемое весом столба жидкостей и газа в скважине. Пластовое давление падает в процессе отбора из пласта жидкостей и газов.

Установление кривой падения давления в пласте в начале разработки залежи позволяет судить о продуктивных возможностях (запасах) пласта. Так, быстрое падение давления на единицу объема нефти и газа, извлеченных из недр, может указывать на малый объем продуктивного пласта; при медленном падении давления объем залежи может быть большим. Замеры забойного давления производят специальными манометрами высокой точности.