Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений
..pdfВ.С.БОЙКО
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИИ
Допущено Государственным комитетом СССР
по народному образованию в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности <гРазработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
МОСКВА "НЕДРА” 1990
ББК 33.36 Б 72
УДК 622.276.632.32(075.8)
Р е ц е н з е н т ы : кафедра .эксплуатации-нефтяных месторождений Уфим ского нефтяного института и канд. техн. наук Б. Т. Баишев
Б 2503010400-107 290—90 043(01)—90
ISBN 5—247—01546—0 |
© В. С. Бойко, 1990 |
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Производственный процесс разработки и эксплуатации нефтя ных месторождений — это совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых для извлечения нефти из недр на поверхность и получения товарной продукции.
§ 1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРОЦЕССЫ ДОБЫЧИ НЕФТИ
Строение и свойства пластов, условия залегания и свойства флюидов (нефти, газа, воды), физико-гидродинамические ос новы извлечения нефти обстоятельно изучены в предшествую щих дисциплинах (геологий, промысловой геологии, физике пла ста, подземной гидрогазодинамике).
Обобщим представления о параметрах нефтяных месторож дений с технико-технологических и экономических позиций процессов добычи нефти из недр на поверхность Земли. Эти параметры условно можно подразделить на три группы: горно геологические, экономико-географические и социально-экономи ческие.
Горно-геологические параметры |
|
Среди горно-геологических |
параметров основными являются: |
1) геометрия месторождения |
(форма, площадь и высота место |
рождения, расчлененность на отдельные залежи и продуктив ные пласты, глубина залегания); 2) свойства коллекторов (ем костные — пористость, нефтенасыщенность; фильтрационные — проницаемость; литологические —гранулометрический состав, удельная поверхность, карбонатность; физические — механиче ские, тсплофизические и др.); 3) физико-химические свойства флюидов; 4) энергетическая характеристика месторождения; 5) величина и плотность запасов нефти.
Залежью называется естественное локальное единичное скоп ление нефти в одном или нескольких сообщающихся между собой пластах-коллекторах, т. е. в горных породах, способных вмещать в себе и отдавать при разработке нефть. Месторожде ние— это совокупность единичных залежей нефти, приурочен-
ных к одной или нескольким естественным ловушкам, располо женным на одной локальной площади. Месторождение может быть одноили многопластовым. В среднем на одно месторож дение приходится около трех залежей. Толщина продуктивных пластов изменяется от нескольких метров до десятков, а иногда и сотен метров. Размеры месторождений в среднем составляют: длина 5—10 км, ширина 2—3 км, высота (этаж нефтегазоносности) 50—70 м.
Различают одно- и двухфазные залежи, среди которых обычно выделяют: газовые; газоконденсатные; нефтяные с раз личным содержанием растворенного газа (обычно менее 200— 250 м3/т, а иногда для залежей переходного состояния и более);
нефтегазовые |
при различном |
соотношении запасов |
нефти |
(в нефтяной |
оторочке) и газа |
или газоконденсата (в |
газовой |
шапке). Из общего числа открытых на территории СССР за лежей нефти и газа нефтяные залежи составляют около 61 %, нефтегазовые— 12 %, газовые и газоконденсатные — 27 %.
В 60—70-х годах советскими геологами выявлена глубинная (вертикальная) зональность размещения залежей нефти и газа в толще осадочных пород, определяющаяся термобарическими и термокаталитическими условиями. В соответствии с ней выде лены следующие зоны: 1) зона залежей преимущественно чис того газа, а также нефти, часто тяжелой (до 1350—1500 м, иногда до 1900 м); 2) зона залежей в основном легкой нефти и иногда конденсатного газа (до 4000—4500 м, иногда 6000 м );
3)зона залежей преимущественно конденсатного газа и из редка весьма легкой нефти (до 5000—6000 м, иногда глубже);
4)зона залежей сухого (метанового) газа (по-видимому, до подошвы осадочной толщи). Термобарические условия в нефтя ных залежах и свойства нефтей характеризуются данными табл. 1.1.
Размер и многопластовость месторождений с емкостными свойствами коллекторов определяют в целом величину и плот ность запасов нефти, а в сочетании с глубиной залегания обус ловливают выбор системы разработки и способов добычи нефти.
Высокой эффективностью характеризуется добыча нефти из многопластовых месторождений с большими запасами, сосредо
точенными на относительно небольших площадях с отдельными богатыми залежами, т. с. с большой плотностью запасов. По величине извлекаемых запасов (млн. т.) залежи нефти условно в последнее время подразделяют на мелкие (менее 10), средние (10—30), крупные (30—300) и уникальные (более 300). Круп ным и уникальным месторождениям принадлежит ведущая роль
вмировом балансе запасов.
Сувеличением глубины залегания месторождения возрас тают затраты на строительство и оборудование скважин, ослож няются условия подъема нефти с глубины на поверхность и т. д,
4
Таблица 1.1. Характеристика пластовых нефтей СССР
(но Г Ф. Требину и др.)
|
|
Условная |
|
|
Параметры |
|
«средняя» |
Для 20% |
Для 50% |
|
|
пластовая |
залежей |
залежей |
|
|
нефть |
|
|
Пластовое давление, МПа |
|
15 |
12,5—16,2 |
9—21 |
Пластовая температура, К |
|
298 |
295—302 |
292—317 |
Давление насыщения, МПа |
|
9,5 |
8,6—11 |
6—12,2 |
Газосодержание, м3/м3 |
газа в |
35 |
20—40 |
10—55 |
Коэффициент растворимости |
5 |
4,2—5,7 |
3,3—6,7 |
|
нефти, м3/(м3-МПа) |
кг/м3 |
850 |
800—860 |
750—SCO |
Плотность пластовой нефти, |
||||
Вязкость пластовой нефти, мПа-с |
2.2 |
1,7—3,2 |
1,2-4,8 |
|
В настоящее время глубокими называют скважины с глубиной от 45(Ю до 7500 м, сверхглубокими — от 7500 до 15 000 м.
Свойства коллекторов и флюидов обусловливают систему разработки, дебиты скважин, полноту извлечения нефти из недр, процессы добычи нефти и др. На технику добычи нефти сущест венно влияют поступление песка из пласта в ствол скважины, выпадение из нефти и отложение парафина, отложение мине ральных солей, корродирующие свойства флюидов и др. Прони цаемость в комплексе с толщиной пласта и вязкостью нефти
определяет дебит |
скважин. По начальному значению дебита |
|||
(т/сут) |
различают |
низко- (до 7), средне- |
(от 7 |
до 25), высоко- |
(от 25 |
до 200) и |
сверхвысокодебитные |
(более |
200) нефтяные |
залежи.
Экономико-географические параметры
Экономико-географические и социально-экономические пара метры имеют основное значение при решении вопросов разме щения и развития новых нефтедобывающих районов. Под эко номико-географическими параметрами понимают территориаль ное расположение месторождения, которое характеризуется удаленностью площади месторождения от экономически Разви
тых районов; климатом, рельефом местности, характером п |
|
||||||
и растительности, сейсмичностью района; ресурсами |
- |
|
|||||
строительных материалов, воды, электроэнергии, экон |
4 |
|
|||||
освоенностью района. |
. |
|
|
топпнтппии |
|||
Экономическая |
освоенность — это обжит |
|
поедприя- |
||||
в хозяйственном отношении |
(наличие промыш |
У' |
питания |
и |
|||
тий, запасов других полезных ископаемых,_пр |
в /св0бод- |
||||||
т. п.), плотность населения, |
наличие трудов - |
Р |
У |
|
энерго- |
||
т рабочей СИЛЫ), |
транспортных магистралей, |
систем |
энер |
^ |
|||
снабжения. Предпочтение отдают месторождениям в освоенных промышленных районах. Поскольку нефтяная промышлен ность — очень капиталоемкая отрасль, то такие месторождения могут быть освоены при меньших капиталовложениях без пере селения и бытоустройства больших контингентов людей.
Важную роль в организации и выборе технологии добычи иг рают рельеф местности, сейсмичность, заболоченность или за сушливость территории, климатические условия, глубина вод. при расположении месторождений под дном моря или океана.. Например, средняя заболоченность в центре и на севере За падно-Сибирской нефтегазоносной провинции составляет более 50 %, а в отдельных районах доходит до 70—80 %. 63 % тер ритории Самотлорского месторождения покрыто болотами и еще 12 % — озерами глубиной до 6 м, а в паводковый период она затопляется. Вечная мерзлота охватывает около половины перспективных территорий Западной Сибири. Территории Сред ней Азии, Кавказа, Карпат, Крыма относятся к сейсмически ак тивным районам. На территории СССР имеются все климатиче ские зоны со средними температурами от —50 °С в январе да -!-32 °С в июле. Такие условия существенно влияют на деятель ность человека, процессы добычи и транспорта нефти. Для ра боты в таких осложненных условиях необходимы особые тех ника, оборудование для добычи нефти, технические средства но комплексной автоматизации нефтяных промыслов.
Социально-экономические параметры
Социально-экономические параметры связаны с социальным и экономическим развитием общества и в основном устанавлива ются народнохозяйственными планами, а также решениями и постановлениями директивных органов. Эти параметры вклю чают в себя товарные качества нефти, газа и других сопут ствующих компонентов; народнохозяйственное и оборонное зна чение месторождения; социально-историческую характеристику периода разработки — обеспеченность запасами нефти на дан ной территории и в целом по стране; научно-технический про гресс в развитии технологии и техники добычи нефти, ее пере работки и использования; политику государства по созданию новых промышленных центров-комплексов, по развитию между народного сотрудничества и разделению труда.
Товарные качества нефти (фракционный и групповой со ставы, содержание серы и масел, теплота сгорания) могут оп ределить выбор технологии и ежегодные объемы добычи нефти, придать месторождению народно-хозяйственное и оборонное значения. От обеспеченности (отношения суммы остаточных из влекаемых запасов к годовой добыче) зависят допустимый уро вень затрат при добыче нефти (предельная себестоимость, рен-
6
табельный дебит^ скважин), Перспективные планы развития смежных отраслей, изменения структуры топливно-энергетиче ского баланса страны, направления научно-технического прог ресса в развитии технологии разработки нефтяных месторожде ний и техники добычи нефти, политика государства .внутри страны и на мировом нефтяном рынке. В делом эти параметры выражаются в виде технического задания на проектирование разработки конкретного нефтяного месторождения.
Такое сочетание всех параметров месторождения, которое в социалистическом обществе обусловливает народно-хозяй ственную эффективность процессов добычи нефти, называют промышленной ценностью месторождения. Она определяет оче редность и время вовлечения в разработку каждого нового ме сторождения для обеспечения абсолютного суммарного роста и компенсации естественного снижения объемов добычи из кон кретных месторождений. Промышленная ценность характеризу ется предельными значениями параметров месторождения, т. е. их кондициями. Кондиции — категория временная. Они изменя ются в зависимости от технико-экономического уровня развития нефтяной промышленности, спроса на нефть.
Таким образом, параметры месторождения определяют про цессы добычи нефти; задача технологов состоит в совершен ствовании и увеличении общей технико-экономической эффек тивности этих процессов с учетом конкретных природных усло вий и с безусловным соблюдением установленных норм по охране недр и окружающей среды.
§ 1.2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЗАЛЕЖЕЙ
Режимом работы залежи называется проявление преобладаю щего вида пластовой энергии в процессе разработки.
Источники и характеристики пластовой энергии
Энергия — это физическая величина, определяющая способ ность тел совершать работу. Работа, применительно к нефтедо быче, представляется как разность энергий или освободившаяся энергия, необходимая для перемещения нефти в пласте и дальше на поверхность. Различаем естественную и в случае ввода извне, с поверхности искусственную пластовые энергии. Они выражаются в виде потенциальной энергии как энергии по ложения и энергии упругой деформации.
|
Потенциальная энергия положения |
|
|
Е„ = Mghcr, |
(1.1) |
где |
м — масса тела (пластовой или закачиваемой |
с поверхно |
сти |
воды, нефти, свободного газа); g — ускорение |
свободного |
7
падения; hCT— высота, на которую поднято тело по сравнению |
||
с произвольно выбранной плоскостью начала отсчета |
(для жид |
|
ких тел это гидростатический напор). |
|
|
Поскольку масса тела M = V р, pghCT=p, то энергия положе |
||
ния равна произведению объема тела V на создаваемое давле |
||
ние р : |
|
( 1. 2) |
En = VpghcT= Vp, |
|
|
где р — плотность тела. То есть, чем больше |
масса |
тела и вы |
сота его положения (напор) или объем тела |
и создаваемое им |
|
давление, тем больше потенциальная энергия положения. |
||
Потенциальная энергия упругой деформации |
|
|
£д = РА1, |
|
(1.3) |
где P=pF — сила, равная произведению давления р на площадь F; А1— линейная деформация (расширение).
Так как приращение объема AV=rAl, то |
|
|||
|
£д = рЛУ |
|
(1.4) |
|
Приращениеобъема AV |
при |
упругойдеформации |
можно |
|
представить,исходя из закона Гука, |
через объемныйкоэффи |
|||
циент упругости среды |
|
|
|
|
о |
1 |
ЛГ |
|
(1.5) |
|
Г |
А , |
’ |
|
|
|
|||
£Д = $VpAp. |
|
(1.6) |
||
Следовательно, чем больше упругость и объем V среды (воды, нефти, газа, породы), давление р и возможное снижение давления Ар, тем больше потенциальная энергия упругой де формации. Количество пластовой воды и свободного газа опре деляется соответственно размерами водоносной области и газо вой шапки, а количество растворенного в нефти газа — объемом нефти Г„ и давлением рн насыщения нефти газом (по закону Генри) или газосодержанием (газонасыщенностью) пластовой нефти Г0 (объемное количество растворенного газа, измерен ного в стандартных условиях, которое содержится в единице объема пластовой нефти):
Гг = ССрраУн —Г0Кн, |
(1.7) |
где ар — коэффициент растворимости газа в нефти.
Отсюда следует, что основными источниками пластовой энер гии служат:
энергия напора (положения) пластовой воды (контурной, подошвенной);
энергия расширения свободного газа (газа газовой шапки); энергия расширения растворенного в нефти газа; энергия упругости (упругой деформации) жидкости (воды,
нефти) и породы; энергия напора (положения) нефти.
Энергии этих видов могут проявляться в залежи совместно,
аэнергия упругости нефти, воды, породы наблюдается всегда.
Внефтегазовых залежах в присводовой части активную роль играет энергия газовой шапки, а в приконтурных зонах — энер гия напора или упругости пластовой воды. В зависимости от темпа отбора нефти добывающие скважины, расположенные вблизи внешнего контура нефтеносности, могут создавать такой экранирующий эффект, при котором в центре залежи действует в основном энергия расширения растворенного газа, а на пери ферии — энергия напора или упругости пластовой воды и т. д. Эффективность расходования пластовой энергии, т. е. количе ство получаемой нефти на единицу уменьшения ее величины, за висит от вида и начальных запасов энергии, способов и темпа отбора нефти.
На основании изложенного можно сказать, что значение пла стовой энергии зависит от давления, упругости жидкости (нефти, воды) и породы, газосодержания, объемов воды и газа, связанных с нефтяной залежью. Искусственная энергия вво дится в пласт при закачке в нагнетательные скважины воды, газа, пара и различных растворов.
Пластовая энергия расходуется на преодоление разного рода
сил сопротивления, гравитационных, капиллярных сил при пе ремещении нефти и проявляется в процессе снижения давления, создания депрессии на пласт-коллектор Ар (разности между пластовым рпл и забойным р3 давлениями).
По преобладающему виду энергии различают следующие ре жимы работы нефтяных залежей: водонапорный; упругий; рас творенного газа; газонапорный; гравитационный; смешанные. Такое деление на режимы в «чистом виде» весьма условно. При реальной разработке месторождений в основном отмечают сме шанные режимы.
Упругий режим
Условие упругого режима — превышение пластового давления, точнее давления во всех точках пласта, над давлением насыще ния нефти газом рн. При этом забойное давление р3 не ниже р», нефть находится в однофазном состоянии. Созданное в добы вающей скважине возмущение давления (депрессия) распрост раняется с течением времени в глубь пласта (наблюдается первая фаза упругого режима). Вокруг скважины образуется увеличивающаяся депрессионная воронка. Приток нефти проис
ходит за счет энергии упругости жидкости (нефти),4связанной воды и породы — энергии их упругого расширения. При сниже нии давления увеличивается объем нефти и связанной воды и уменьшается объем пор; соответствующий объем нефти посту пает в скважины. Затем депрессионные воронки отдельных скважин, расширяясь, сливаются, образуется общая депрессионная воронка, которая по мере отбора нефти, распространяется до границ залегания залежи.
Если залежь литологически или тектонически ограничена (замкнута), то в дальнейшем наступает вторая фаза упругого режима, в течение которой на контуре ограничения пласта, со впадающим с контуром нефтеносности, давление уменьшается во времени; уменьшается также давление в залежи. Упругий ре жим может быть продолжительным при значительном недонасыщении нефти газом. В противном случае этот режим быстро может перейти в другой вид. В объеме всего пласта упругий за пас нефти составляет обычно малую долю (приблизительно 5— 10 %) по отношению к общему запасу, однако он может выра жать довольно большое количество нефти в массовых единицах. В случае ограниченности залежи во второй фазе проявляется разновидность упругого режима — замкнуто-упругий режим.
Если залежь не ограничена, то общая депрессионная во ронка будет распространяться в законтурную водоносную об ласть, значительную по размерам и гидродинамически связан ную с залежью. Упругий режим будет переходить во вторую разновидность — упруговодонапорный режим. Упруговодонапор ный режим обусловлен проявлением энергии упругого расшире ния нефти, связанной воды, воды в водоносной области, пород пласта в нефтяной залежи и в водоносной области и энергии напора краевых вод в водоносной области.
Для замкнуто-упругого и упруговодонапорного режимов ха рактерно значительное снижение давления в начальный период постоянного отбора нефти (или снижение текущего отбора при постоянном давлении р3). При упруговодонапорном режиме темп дальнейшего снижения давления (текущего отбора) за медляется. Это связано с тем, что зона возмущения охватывает увеличивающиеся во времени объемы водоносной области и для обеспечения одного и того же отбора нефти требуется уже меньшее снижение давления. Если внешняя граница водоносной области находится выше (на более высокой гипсометрической отметке), чем забой скважины, то кроме энергии упругости дей ствует потенциальная энергия напора (положения) контур ной воды.