1464

Гл а в а I

Содержание курса и характеристика важнейших этапов развития подземной гидравлики

§ 1. Подземная гидравлика как основа технологии добычи нефти и газа

Подземная гидравлика — наука о движении нефти, газа и воды

впластах, сложенных пористыми и трещиноватыми горными порода­ ми.

Если учесть буквальный смысл термина гидравлика, то было бы правильнее науку о движении нефти, газа и воды в пластах назвать механикой жидкостей и газов в пористой среде1. Последнее название более верно и потому, что при изучении фильтрации жидкостей и газов

впористой среде используются не только упрощенные методы гидрав­ лики, но и математически строгие, общие методы гидромеханики. Од­ нако для простоты сохраним за упомянутой наукой более привычное название, укоренившееся уже и как название соответствующей учебной дисциплины — «Подземная гидравлика».

При любом способе добычи нефти и газа возбуждается их движе­ ние в пласте; поэтому без знания подземной гидравлики нельзя обос­ нованно решить важнейшие задачи технологии нефтедобычи и добычи газа — нельзя выбрать систему разработки месторождения и режим эксплуатации скважин, которые были бы наиболее рациональны для данных пластовых условий и в то же время наиболее удовлетворяли планово-экономическим требованиям.

Указывая на необходимость знания законов подземной гидравли­ ки для решения проблем технологии нефтедобычи, нужно подчерк­ нуть, что знания только этих законов недостаточно для изучения сложных процессов фильтрации жидкостей и газов в пластовых усло­ виях. Действительно, громадная удельная поверхность пористой сре­ ды (величина поверхности стенок поровых каналов, приходящаяся на*

*Как известно, термин гидравлика происходит от соединения двух греческих слов: <хюдор> — вода и «аулос» -- труба.

единицу объема образца пористой горной породы) и малые диаметры зерен и поровых каналов указывают на то, что роль молекулярных сил может быть относительно велика. Поэтому необходимо считаться с прямым и косвенным влиянием поверхностных явлений на процессы движения жидкости в гористой среде. Кроме того, для очень многих месторождений характерны высокие и снижающиеся в процессе раз­ работки пластовые давления, высокие пластовые температуры; часто в одних и тех же порах пласта одновременно находятся не нефть, газ и вода, причем иногда физико-химические свойства законтурной (крае­ вой) воды сильно отличаются от свойств связанной (сингенетичной, ре­ ликтовой, погребенной) воды, пленка которой обволакивает зерна нефтесодержаей породы. По мере падения пластового давления, выделения газа из раствора и продвижения краевой воды внутрь контура нефте­ носности в пласте могут развиваться сложные физико-химические про­ цессы, оказывающие существенное влияние на особенности движения жидкостей и газов в пластах. Не менее сложные физико-химические яв­ ления возникают при закачке в нефтеносный пласт воды, воздуха или газа, например для поддержания или восстановления пластового дав­ ления. Следовательно, физика и физико-химия пласта столь же важны для изучения поведения нефте-газоносного месторождения в процессе его разработки и эксплуатации, как и подземная гидравлика.

Итак, подземная гидравлика, физика и физико-химия пласта явля­ ются (наряду с промысловой геологией и отраслевой экономикой) осно­ вами современной технологии нефтедобычи. Без комплексного разви­ тия этих наук и внедрения их достижений в нефтепромысловую прак­ тику невозможен прогресс технологии нефтедобычи.

В подземной гидравлике приходится иметь дело со многими из тех законов движения жидкостей и газов в пористой среде (с закона­ ми фильтрации), которые имеют важное значение не только в области технологии добычи нефти и газа, но и в гидрогеологии, инженерной геологии, гидротехнике, химической технологии и т. д. В самом деле, теория фильтрации является основой для решения, например, следу­ ющих важнейших проблем водоснабжения и ирригации: расчет при­ токов жидкости к искусственным водосборам и дренажным сооруже­ ниям, изучение режима естественных источников и подземных пото­ ков и т. д. В гидротехническом строительстве и при проведении круп­ ных инженерно-геологических работ приходится рассчитывать филь­ трацию вод под плотинами и в обход плотин, фильтрацию через те­ ло земляных плотин, осуществлять искусственное понижение уровня грунтовых вод, бороться с грунтовыми водами при оползнях. При про­ ведении подземной газификации (в каменноугольной промышленно­ сти) необходимо учитывать особенности движения газов в пористой

среде. В керамической промышленности возникает задача о фильтра­ ции жидкостей и газов через стенки сосудов, в химической промышлен­ ности — задача о движении реагентов в пористой среде катализатора, о движении реагентов через специальные фильтры, о шламовой филь­ трации и т.д.

20-25 лет назад большинство вопросов технологии нефтедобычи (особенно в области технологии пласта) решалось без должного науч­ ного анализа, но традиции или только на основании «производственно­ го чутья». Объясняется это тем, что сведения по подземной гидравлике и физике пласта в то время были еще мало систематизированы и совсем не известны широким кругам нефтепромысловых работников. Кроме того, многие практически важные и ныне решенные проблемы в обла­ сти упомянутых наук в то время были далеки от своего разрешения (см. приведенный в конце курса исторический очерк развития подземной гидравлики). Нельзя не отметить, что за последние четверть века сами практические задачи эксплуатации и разработки нефтяных и газовых месторождений сильно усложнились. Ныне (в 1949 г.) разрабатываются месторождения нефти и газа, глубина залегания которых превосходит 4360 м (наиболее глубокое 4420 м), а глубины некоторых разведоч­ ных нефтяных скважин достигли почти 5500 м (в июне 1949 г. 6228 ле, на 1/1 56 г. 6800 ле); в 1947 г. уже более 100 скважин отбирали нефть с глубин, превосходящих 3000 м (в 1949 г. — 610 скважин с глубинами более 3660 м). Стоимость бурения и эксплуатации таких скважин очень велика. Поэтому возникает острая необходимость в научно обоснован­ ном решении многих вопросов, связанных с добычей нефти и газа; без этого невозможна рациональная разработка нефтяных и газовых ме­ сторождений. Если раньше из пласта добывали лишь 20-25% находив­ шейся в нем нефти, то теперь, применяя различные методы интенси­ фикации, стремятся повысить коэффициент нефтеотдачи до 80-90%.

За последние годы значительно улучшились и уточнились ме­ тоды исследования скважин и пластов. Мы теперь обладаем реги­ стрирующими глубинными манометрами, способными с точностью до 0,5 am фиксировать пластовое давление до 200-250 am, мы имеем герметичные глубинные пробоотборники, которые позволяют отбирать пробу нефти из скважины с сохранением высокого давления и высо­ кой температуры; мы имеем аппаратуру, которая позволяет анализи­ ровать отобранную пробу без снижения давления и температуры. Для определения параметров пласта ныне используется не только электрокароттаж скважин, но и гаммакароттаж и нейтроновый кароттаж. Для изучения нефте-водогазонасыщенности отобранных в процессе бурения кернов и для некоторых иных целей используются новейшие достиже­ ния ядерной физики.

Итак, несомненно, за последние годы проблемы добычи нефти и га­ за, во-первых, резко усложнились и, во-вторых, выросли в проблемы огромной политической и экономической важности. Решать эти про­ блемы кустарными, старыми методами уже нельзя, а потому развитию научно обоснованных методов технологии добычи нефти и газа уделя­ ется особое внимание; совершенствование же технологии добычи нефти и газа немыслимо без учета достижений подземной гидравлики.

Вполне понятно, что достижения подземной гидравлики в полной мере не могут быть использованы в условиях раздробленного частно­ капиталистического хозяйства, при наличии конкурирующих владель­ цев отдельных участков единого нефтяного или газового месторожде­ ния. Известно, какие заведомо нерациональные системы разработки месторождений и неправильные режимы эксплуатации скважин встре­ чаются в США, когда каждый владелец старается разрабатывать и экс­ плуатировать свой участок, исходя из интересов только личной нажи­ вы. Известны также трудности, возникающие в США при попытках отдельных владельцев и отдельных нефтяных фирм объединиться для осуществления научно обоснованных систем разработки новых круп­ ных газовых и нефтяных месторождений. Социалистическая система хозяйства в СССР не только дает возможность, но и настоятельно тре­ бует внедрения научно обоснованных методов добычи нефти и газа. Перед промысловой геологией, теорией эксплуатации нефтяных и га­ зовых скважин, отраслевой экономикой, подземной гидравликой и фи­ зикой пласта возникают задачи: установить принципы, на базе которых можно составлять генеральные схемы разработки вновь открываемых месторождений нефти и газа и в соответствии с государственным пла­ ном осуществлять наиболее рациональный режим их эксплуатации.

Поэтому в СССР к подземной гидравлике предъявляются большие требования и науке обеспечивается широкое развитие.

§ 2. Краткая характеристика важнейших этапов развития подземной гидравлики

В данном параграфе приведены лишь краткая и общая характе­ ристики двух основных этапов развития подземной гидравлики; более подробный исторический очерк помещен в конце книги.

Историю развития подземной гидравлики можно разделить на два периода. В течение первого периода, начавшегося в середине прошлого века и окончившегося в 1917-1920 гг., подземная гидравлика развива­ лась почти исключительно под влиянием запросов техники водоснаб­ жения, ирригации и гидротехнического строительства. Поэтому в тече­

ние первого периода решались общие задачи теории фильтрации, дви­ жения естественных подземных водных потоков, притока воды к грун­ товым колодцам, артезианским скважинам, водосборным галлереям, дренажным каналам и т.д.

Проблемы вытеснения нефти водой и газом из пласта в скважины, проблема движения газированной нефти в пористой среде, специфи­ ческие задачи размещения нефтяных и газовых скважин — эти и им подобные задачи собственно нефтяной подземной гидравлики не ста­ вились в течение первого упомянутого периода. Постановка и частич­ ное решение перечисленных задач впервые были выполнены в трудах акад. Л. С. Лейбензона; трудами акад. Л. С. Лейбензона с 1927 г. был начат второй период развития подземной гидравлики.

Исследования в области подземной нефтяной гидравлики по­ сле 1917-1920 гг. были вызваны мощным развитием отечественной неф­ тяной промышленности после Октябрьской революции.

Приоритет в постановке и решении задач подземной нефтяной гид­ равлики советские ученые продолжают прочно удерживать и теперь.

В СССР не только проведены первые гидродинамические исследо­ вания проблем вытеснения нефти газом, проблем движения газирован­ ной жидкости и т. д., но в 1934 г. акад. Л. С. Лейбензоном опубликована первая в мировой литературе монография [100]1, специально посвя­ щенная систематическому изложению подземной гидравлики. В книге акад. Л. С. Лейбензона объединены исследования по подземной гидрав­ лике первого периода ее развития [до 1920 г.] с последующими работами автора.

После издания книги акад. Лейбензона, за последние 14 лет опуб­ ликовано много работ, носящих характер сводных трудов, посвящен­ ных либо специально подземной гидравлике, либо общим связанным с ней вопросам. Таковы, например, книги Г. Н. Каменского [65], М. Маскета [120], Б. Б. Девисона [43], В. К. Ризенкампфа [155], В. Н. Щелкачева и Г. Б.Пыхачева [203], П. Я. Полубариновой-Кочиной [143], В. Н. Щел­ качева [209], П.Д. Джонса [44], Л. С. Лейбензона [107].

и Полубариновой-Кочиной [143] представляют не столько интерес для технологии нефтедобычи, сколько для общей теории фильтрации, гид­ рогеологии, гидротехники. Книга Джонса [44] специально не посвяще­ на подземной гидравлике но в ней описаны многие свойства пластовых жидкостей и газов и анализируются физико-геологические константы, которые необходимо учитывать при гидравлических расчетах. Книги

1 Цифры в квадратных скобках после фамилии автора соответствуют номеру указателя литературы.

Лейбензона [100], [107], Щелкачева и Пыхачева [203], Маскета [120], хо­ тя имеют монографический характер, но основное внимание в этих мо­ нографиях уделено как раз тем вопросам, которые представляют непо­ средственный интерес для технологии добычи нефти и газа. В книге Щелкачева [209], предназначенной служить кратким учебным пособи­ ем для повышения квалификации инженерно-технических работников нефтяной промышленности, приведены лишь результаты исследований по основным вопросам подземной нефтяной гидравлики.

Опубликование перечисленных выше сводных работ свидетель­ ствует о том, что к середине тридцатых годов подземная гидравлика вполне оформилась в самостоятельную науку; ей стали посвящать фа­ культативные курсы лекций в институтах и университетах. В СССР

такие курсы лекций стали читаться раньше и по значительно более об­ ширным программам, чем в США. Общепризнанная важность подзем­ ной гидравлики побудила ввести ее с 1941 г. В качестве обязательного предмета в учебный план нефтяных институтов.

К современной программе курса подземной гидравлики не под­ ходит ни одна из вышеперечисленных сводных работ, но в той или иной мере они могут быть использованы в качестве дополнительных учебных пособий. Итак, специфичность проблем, обширность предмета и важность практических приложений в области технологии нефтедо­ бычи привели к тому, что в настоящее время подземная гидравлика не только имеет самостоятельную область научных исследований, но яв­ ляется одним из основных предметов учебных планов нефтепромысло­ вого и геолого-разведочного факультетов нефтяных вузов. Лекции по подземной гидравлике читаются и на курсах по повышению квалифи­ кации инженерно-технических работников нефтяной промышленности и в нефтяных техникумах2.

2В 1947 г. вышло первое руководство по подземной гидравлике, предназначенное для студентов нефтяных техникумов, книга А. М. Агаджанова [3].

§ 1. Развитие представлений, содействовавших обобщению задач технологии нефтедобычи

иподземной гидравлики

Втечение длительного времени технология нефтедобычи своди­ лась почти исключительно к технике эксплуатации скважин. Главным объектом внимания нефтепромысловых работников было подземное

инадземное оборудование скважин. Режим работы скважины устанав­ ливался только на основании результатов исследований ее самой, вне всякой связи с режимом работы и поведением других скважин того же пласта. Такой подход к эксплуатации нефтяных месторождений объ­

яснялся частично тем, что в дореволюционной России, а за рубежом и в настоящее время, единые нефтяные месторождения были разде­ лены на раздробленные участки между конкурирующими частными владельцами и фирмами. Интересы личной наживы владельца одной или нескольких скважин были направлены лишь к тому, чтобы мак­ симально интенсифицировать добычу нефти из своих скважин, хотя бы это шло во вред владельцам соседних участков. Упомянутый под­ ход к эксплуатации скважин объяснялся частично и другой причиной. Именно, в то время, почти до конца двадцатых годов нынешнего ве­ ка, нефтепромысловые работники считали, что влияние эксплуатации нефтяной скважины не распространяется на всю нефтеносную залежь и тем более не распространяется за контур нефтеносности. Считали, что каждая скважина имеет ограниченную область влияния (область действия или дренирования). При всевозможных расчетах радиус влия­ ния скважины полагали равным не более 150-200 м. Укреплению таких взглядов много содействовала американская теория Бриггса, согласно которой единственной силой, движущей нефть к забоям скважин, мо­ жет быть только сила упругости окклюдированного газа, рассеянного в нефти.

Изменению неправильных взглядов мы обязаны, главным образом отечественной науке: существование водонапорного режима нефтяных

месторождений (см. § 4 данной главы) установлено в СССР раньше,

чем в США.

Трудами геолога Н. Т.-Линдтропа [108], [109] и сотрудничавших в то время с ним геологов И. М. Карпенко 67], В. М. Николаева [135], М. Г. Танасевича [165], М.М.Чарыгина [190], А.М . Шайдерова [196], С.Н.Шаньгина [197] и других на примере разработки Ново-Грознен­ ского (ныне Октябрьского) и Старо-Грозненского месторождений были доказаны следующие положения:

1.В наиболее продуктивных пластах упомянутых месторождений, газ в пластовых условиях полностью растворен в нефти и выделяется из нее лишь при движении нефти в стволе скважины.

2.Нефть движется к забоям скважин под влиянием напора крае­ вых вод, окружающих залежь нефти. Фонтанирование нефтяных и за­ контурных в одяных скважин объясняется теми же причинами (отвле­ каясь от влияния газа на подъем жидкости в стволе скважины), что

ифонтанирование скважин в чисто водоносных артезианских пластах.

3.Скважины взаимодействуют (интерферируют) на больших рас­

стояниях — порядка один-два и более километров.

4.Интенсивная разработка одной части залежи нефти отражается даже на удаленной остальной ее части.

5.Разработка нефтеносной залежи сказывается на режиме водя­ ных источников в области естественного стока того же пласта.

Работавшая под председательством акад. И. М. Губкина в начале тридцатых годов в Грозном комиссия уточнила и подтвердила упомя­ нутые выше положения и приняла их за основу при проектировании дальнейшей разработки продуктивных пластов в условиях водонапор­ ного режима.

Вдальнейшем выяснилось, что и в тех пластах, в которых главной движущей силой является сила упругости сжатого газа, влияние экс­ плуатации отдельных скважин не ограничивается малой зоной, а рас­ пространяется с течением времени на весь пласт.

Итак, в конце двадцатых — начале тридцатых годов нынешнего ве­ ка стало понятно, что всякий газонефтеносный пласт следует рассмат­ ривать как гидравлически связанную систему не только во всей обла­ сти газонефтеносности, но и включая окружающую водонапорную об­ ласть вплоть до естественных границ пласта (выходов на поверхность, сбросов, границ выклинивания, поверхностей несогласного налегания и т. д.). Пришлось отказаться от системы изолированного исследова­ ния отдельных скважин и установления технологического режима их эксплуатации только на базе этих данных. Теперь немыслимо скольконибудь серьезное исследование скважин и установление правильного режима их работы вне связи с изучением режима пласта в целом.

Таким образом технология нефтедобычи за последние 20 лет су­ щественно развилась, и в нее теперь включаются вопросы технологии эксплуатации и скважин и пластов. Это развитие технологии нефтедо­ бычи привело к необходимости включить новые идеи в основы подзем­ ной нефтяной гидравлики.

Следует заметить, что развитие идей технологии нефтедобычи и подземной гидравлики происходило бы гораздо быстрее, если бы свое­ временно использовался опыт гидрогеологов. Гидрогеологи, изучая ар­ тезианские пласты, давно учитывали, что зона влияния отбора воды из скважин может распространяться по пласту на большие расстояния.

В России эта мысль уже не была новой в начале XVII века. Так, например, в раздельном акте семейства Строгановых, датиро­ ванном 1629 годом, указывается, что если кто-либо из них заложит артезианскую рассольную скважину вне отведенных им участков, то, учитывая неизвестность направления движения подземных вод, такая скважина должна быть общей собственностью: « . . . а будет кто из нас трубу (буровую скважину) посадит в горе за тою мерою, что ему написано, хотя и против своей земли, и та у нас труба у всех воопче ... » (Фальковский [173]).

Несмотря на правильное понимание происхождения напора в арте­ зианских пластах и хорошо известные примеры взаимодействия сква­ жин на больших расстояниях друг от друга, в теоретических гидроди­ намических расчетах гидрогеологи пользовались неправильным пред­ ставлением об ограниченности и неизменности зоны влияния отдель­ ных скважин. Например, в развитой Слихтером в конце прошлого столетия теории взаимодействия скважин допускалось, что при экс­ плуатации скважины радиус ее влияния равен приблизительно 200 м и потому две скважины, удаленные друг от друга на 400 м и бо­ лее, не могут влиять друг на друга. Крупный русский гидрогео­ лог — инж. А. А. Краснопольский — в опубликованной в 1912 г. весьма ценной работе [76] допускал, что область влияния каждой скважины ограничена «жестким» контуром; при взаимодействии скважин форма и размеры этих контуров не меняются, а один контур как бы «враста­ ет» в другой.

Наряду с такими, явно неправильными, гидродинамическими представлениями о взаимодействии скважин инж. Краснопольский правильно рассматривал артезианские пласты, как единые гидрав­ лические системы. Так, например, критикуя современное ему (ко­ нец XIX — начало XX века) водное законодательство, инж. Красно­ польский указывал, что владельца какого-либо участка земли нельзя считать владельцем артезианских вод в недрах его участка хотя бы по одному тому, что «вода артезианского пласта в данной местности чуж-

да данной местности и обыкновенно является водой, притекающей из весьма удаленных местностей».

Такое противоречие во взглядах не является исключением и весь­ ма характерно даже для начала XX века: с одной стороны, к этому времени имелось правильное представление о пластовых водонапорных системах; с другой стороны, в основе гидродинамического анализа ра­ боты скважин лежало явно неправильное представление о постоянном ограниченном радиусе влияния каждой скважины1.

Следовательно, до сравнительно недавнего времени гидродинами­ ческие расчеты по взаимодействию скважин в области гидрогеологии были столь же несовершенны, как и в области технологии нефтедобы­ чи.

Перейдем к описанию развития других идей, играющих важную роль в современной подземной гидравлике. Именно, с конца двадцатых годов постепенно стало выясняться существенное влияние упругости пласта и насыщающих его жидкостей на поведение пласта и скважин в процессе их эксплуатации.

Коэффициенты объемной сжимаемости воды, нефти и горных по­ род, слагающих нефтеносные пласты, настолько малы, что первона­ чально их упругостью пренебрегали и при всех гидродинамических расчетах, связанных с задачами подземной гидравлики, пласт, воду и нефть считали абсолютно несжимаемыми. Такое допущение легко оправдать при решении большинства задач трубной и речной гидрав­ лики; поэтому с таким допущением свыклись.

Однако при решении большинства задач подземной гидравлики оправдать упомянутое допущение нельзя, ибо емкость пластовых во­ донапорных систем огромна. При понижении пластового давления, вы­ званного пуском в эксплуатацию скважин, объем порового простран­ ства пласта уменьшается, нефть и вода (не говоря уже о газе) расши­ ряются и из пласта извлекается дополнительное (ранее не учитывавше­ еся) количество жидкости — «упругий запас жидкости в пласте». Этот упругий запас жидкости, оказывается, необходимо учитывать при ана­ лизе материального баланса пласта, при попытках сопоставить количе­ ство добытой из скважин жидкости с тем, какое вошло внутрь области нефтеносности и прошло через выходы пласта на границах области пи­ тания. Особенно значительное влияние упругость жидкости и пласта

Представление о постоянном радиусе влияния скважины можно оправдать лишь в тех случаях, когда приток жидкости в пласт через слабо проницаемую кров­ лю или при отсутствии кровли (соответственно в пластах с водонапорным и грави­ тационным режимами, см. дальше) компенсирует отбор жидкости из скважин.(см., например, Мятиев [132]). Представление о переменном, изменяющемся с течени­

ем времени радиусе влияния скважин развивается в современной теории упругого режима (см. Щелкачев [221, 2221).