книги из ГПНТБ / Поддержание пластового давления на нефтяных месторождениях

огромная площадь залежи нефти при небольшой ее мощности и нали­ чие широкой водонефтяной зоны, занимающей большую часть залежи и обусловливающей постепенное уменьшение мощности продуктив­ ного горизонта Д! от свода к периферии месторождения. В этих условиях применение законтурного заводнения затянуло бы сроки разработки месторождения на сотни лет и не могло бы обеспечить высокие темпы отбора нефти. Поэтому советские ученые и нефтяники Татарии предложили принципиально новую систему разработки

Разработка Ромашкинского месторождения началась с разре­ зания его на 23 самостоятельных площади, ширина каждой из кото­ рых была 6—9 км. При этом одновременно вскрывали бурением и перфорацией все нефтеносные пласты горизонта flt как в нефтя­

подрусловую и речную воду при давлении на устье 40—60 кгс/см2 . При таком давлении нагнетания приемистость скважин была невы­ сокой, поэтому в дальнейшем устьевое давление нагнетания повысили до 120—130 кгс/см2 . Благодаря этому была достигнута высокая

Благодаря этому удалось повысить эффективность заводнения и за 5 лет (1966—1970 гг.) дополнительно добыть около 90 млн. т нефти.

Анализ многолетней разработки Ромашкинского месторождения показал, что в условиях высокой неоднородности пластов по про­ ницаемости и мощности нельзя достичь увеличения выработки их только за счет повышения давления нагнетания. Для более эффектив­ ного использования энергии закачиваемой воды было уменьшено расстояние между разрезающими нагнетательными и первым рядом эксплуатационных скважин с 2 до 1 км.

В последние годы был более определенно решен вопрос об опти­ мальной ширине площадей между рядами нагнетательных скважин при внутриконтурном заводнении. Первоначально считалось, что при разрезании месторождений рядами нагнетательных скважин ширина площади должна быть около 10 км. Однако, опыт показал, что такая разработка месторождений сдерживает темп их выработки. В настоящее время при внутриконтурном заводнении ширина полос берется не более 4—5 км с размещением между разрезающими рядами пяти рядов эксплуатационных скважин. При высокой неоднород­ ности пластов по проницаемости и такой подход к разрезанию место­ рождений не всегда обеспечивает необходимую выработку их по всей площади: при расположении нагнетательных скважин в ряд отдель­ ные малопроницаемые участки не охватываются заводнением.

Для вовлечения в разработку таких участков началось внедре­ ние очагового и избирательного заводнения [34].

10

Очаговое заводнение, при котором нагнетательные скважины не связаны с одной общей системой и расположены на отдельных участках, применяется для выработки запасов нефти из небольших линзообразных залежей. Избирательное заводнение предусматри­ вает расстановку нагнетательных скважин не строго в ряд, а исходя из распределения коллекторских свойств пластов по площади. Местоположение нагнетательных скважин при таком способе завод­ нения выбирается после разбуривания площади и изучения коллектор­ ских свойств пластов. Под нагнетание выбирают те скважины, закачка воды в которые обеспечит наиболее полную выработку всего продук­ тивного пласта [34], т. е. скважины, вскрывшие пласт с высокой проницаемостью и хорошей гидродинамической связью с окружа­ ющими эксплуатационными скважинами.

За 20 лет разработки Ромашкинского месторождения технология заводнения пластов была значительно усовершенствована. На основе опыта заводнения пластов Туймазинского и Ромашкинского место­ рождения в настоящее время проектируется и осуществляется завод­ нение пластов на месторождениях Поволжья, Западной Сибири, Казахстана и других районов.

В последние годы в СССР и за рубежом уделяют большое внима­ ние повышению эффективности заводнения. Заметные успехи достиг­ нуты по заводнению пластов с добавками к воде различных поли­ меров. Первые опыты применения полимеров для этой цели были начаты в 1959 г. в США на месторождении Ниагара (шт. Кентукки),

в пористой среде и снижает набухание глинистых частиц. Однако установлено, что при низкой вязкости нефти использование полимеров экономически нецелесообразно. К 1970 г. в США осуществлялось около 50 проектов заводнения пластов с применением полимеров. Анализ эффективности такого заводнения за 2 года по 25 место­ рождениям показал его высокую эффективность: добыча нефти увеличилась на 30—100% по сравнению с применением обычного заводнения.

1

Г л а в а в т о р а я

ИСТОЧНИКИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ЗАВОДНЕНИЯ ПЛАСТОВ

Заводнение нефтяных пластов — сложный и длительный процесс с использованием больших объемов воды. Поэтому водоснабжение систем заводнения имеет первостепенное значение. На основе много­ летнего опыта эксплуатации систем заводнения можно считать, что проблема водоснабжения сводится в основном к следующему:

1)изыскание надежного источника водоснабжения, способного бесперебойно давать необходимое количество воды на весь период заводнения месторождения;

2)обоснование необходимого качества воды для закачки в пласты;

3)разработка технологии подготовки воды.

Для решения первого вопроса проводят гидрогеологические изыскания применительно к конкретным условиям месторождения. При этом изучают все имеющиеся источники воды, природное ка­ чество воды и подсчитывают ее запасы, а также определяют возмож­ ный расход воды в зависимости от предполагаемого метода завод­ нения. Обычно при площадном заводнении истощенных залежей требуется 10—15 м 3 воды на 1 т добытой нефти. При законтурном и внутриконтурном заводнении расход воды значительно меньше —

В тех случаях, когда в пределах одного нефтяного месторожде­ ния имеется несколько источников с необходимым запасом воды, выбор источника проводится по экономическим показателям работы системы водоснабжения.

Определение необходимого качества воды — вопрос более слож­ ный. Его решают применительно к каждому месторождению, исходя из физико-химических свойств пород продуктивного пласта и насы­ щающих его жидкостей.

Закачиваемая вода должна обладать свойствами, способству­ ющими наиболее полному вытеснению нефти, и не снижать проница­ емости пласта за счет разбухания глин, выпадения осадков при смешивании с пластовой жидкостью и т. п.

Пригодность воды для закачки в продуктивные пласты конкрет-

\2

ных месторождений определяется на основе предварительных лабо­ раторных и промышленных исследований.

Систему подготовки воды проектируют, исходя из предъявляе­ мых к ней требований.

1. ИСТОЧНИКИ ВОДЫ ДЛЯ ЗАВОДНЕНИЯ

Для заводнения нефтяных пластов преимущественно исполь­ зуют воды поверхности источников, легко доступные и не требующие сложных методов их подготовки для закачки в нефтяные залежи. Так, источниками водоснабжения для заводнения пластов крупней­ ших в СССР Ромашкинского, Туймазинского, Шкаповского и других нефтяных месторождений служат реки и другие естественные или искусственные пресноводные водоемы. В заводнении большинства нефтяных месторождений районов Баку и Мангышлака используется вода Каспийского моря. Наряду с речной и морской водой для за­ воднения пластов используют подземную воду из неглубоко залега­ ющих водоносных горизонтов. Так, в Западной Сибири начали зака­ чивать в пласты подземные воды Сеноманских отложений [109]. Серьезное внимание как возможным источникам водоснабжения при заводнении нефтяных месторождений уделяется также сточным водам нефтедобывающих предприятий. Как известно, в настоящее время большая часть этих вод без всякой пользы, но с большими затратами средств и труда сбрасывается в так называемые поглощающие гори­ зонты через специально пробуренные для этой цели скважины. Больше того, в некоторых районах сточные воды спускают в открытые водоемы или отводят на поля фильтрации, загрязняя их и нанося ущерб народному хозяйству.

Применение сточных вод нефтедобывающих предприятий в си­ стеме заводнения позволит сократить расход дифицитной пресной воды для закачки в пласты и предотвратить загрязнение водоемов. Кроме того, сточные воды нефтедобывающих предприятий имеют повышенную температуру и низкое поверхностное натяжение и благо­ даря этому обладают большей по сравнению с речной водой нефтевымывающей способностью. По данным И. Г. Мархасина [113] и И. Ф. Глумова, сточные воды вытесняют из пористой среды примерно на 5% нефти больше, чем речная вода.

Из сказанного выше следует, что при заводнении продуктивных пластов прежде всего должны использоваться сточные воды нефте­ добывающих предприятий. В отдельных случаях можно использо­ вать и бытовые сточные воды. Такой опыт накоплен в НГДУ Азнакаевнефть [146].

Большой практический интерес с точки зрения изыскания источ­ ников заводнения пластов представляют сточные воды нефтегазоперерабатывающих заводов, находящихся вблизи нефтяных место­ рождений. К сожалению, работники нефтедобывающих предприятий в настоящее время этому источнику водоснабжения не уделяют должного внимания.

15

В ближайшем будущем для заводнения нефтяных пластов, оче­ видно, все большее применение будут находить сточные воды нефте­ добывающих предприятий, нефтегазоперерабатывающих заводов и бытовые сточные воды, а расход дефицитной пресной воды для этих целей будет сокращаться.

2. ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ВОДЫ, НАГНЕТАЕМОЙ В ПЛАСТЫ

Природные воды обычно содержат растворенные минеральные соли, различные газы, взвешенные твердые и коллоидные частицы. В поверхностных и подземных водах встречаются также микроорга­ низмы, а в сточных водах нефтедобывающих предприятий всегда находится некоторое количество эмульгированной нефти.

Влияние перечисленных компонентов закачиваемой воды на про­ цесс заводнения пластов различно. Взвешенные твердые частицы и эмульгированная нефть загрязняют поверхность фильтрации и заку­ поривают поровые каналы продуктивного пласта, тем самым снижая приемистость нагнетательных скважин. Согласно существующим в СССР правилам [151 ] вода, предназначенная для закачки в пласты, не должна содержать нефти и нефтепродуктов, а взвешенных твер­ дых частиц в ней допускается не более 2 мг/л и окисного железа — 0,3 мг/л.

В США на некоторых месторождениях Калифорнии для заводне­ ния пластов с проницаемостью 16—32 мд рекомендовано применять

призабойной зоны нагнетательных скважин. Чрезмерно глубокая очистка воды от указанных примесей требует сложной технологии

ееподготовки, что связано с большими капиталовложениями. Накопленный в СССР и США опыт по заводнению нефтяных

месторождений показывает, что некоторые пласты менее восприим­ чивы к загрязнению взвешенными твердыми частицами, соединени­ ями железа и нефти. Так, например, трещиноватые девонские песча­ ники Шкаповского нефтяного месторождения при давлении нагне­ тания 100—120 кгс/см2 поглощают неочищенную воду р. Дёма,

с содержанием 5—8 мг/л взвешенных частиц, 0,3—0,8 мг/л окисного железа и существенного снижения приемистости нагнетательных скважин этих месторождений пока не замечено. Имеются сведения 0 применении для заводнения некоторых месторождений США очищенных сточных вод, содержащих до 10 мг/л взвешенных частиц,

14

шенным содержанием механических примесей и необходимости пере­ смотра норм допустимого количества взвешенных твердых частиц, железа и нефти в воде, предназначенной для заводнения.

Качество воды для заводнения следует нормировать для каждого конкретного месторождения с учетом коллекторских свойств пла­ стов, применяемого метода заводнения (законтурного или внутриконтурного) и создаваемого давления нагнетания. Исходя из име­ ющегося опыта, допустимые нормы содержания в воде взвешенных твердых частиц и нефти можно повысить для месторождений с высоко­ проницаемыми гранулярными или трещиноватыми пластами.

Кроме указанных выше примесей, причиной снижения приеми­ стости нагнетательных скважин может быть образование и отложение в поровых каналах труднорастворимых солей при нагнетании воды.. Так, например, закачка сульфатной воды в пласты, содержащие воды хлоркальциевого типа, может привести к образованию и отло­

При нагнетании холодной воды в нефтяные пласты с повышенной температурой не исключена возможность распада бикарбонатов и об­ разования карбоната кальция (СаС03 ) в пористой среде. Это объяс­ няется тем, что с повышением температуры воды нарушается равно­ весие между ионами бикарбоната и двуокисью углерода С 0 2 . Про­ веденные теоретические и экспериментальные исследования [13] свидетельствуют о том, что при одной и той же концентрации С 0 2 :

тем меньше в растворе бикарбонатов. Так, например, в присут­

жидкостью, содержащей сероводород, применяется вода с большим содержанием железа, в пористой среде может протекать окисли­ тельно-восстановительный процесс с образованием осадка сульфида железа FeS.

Наряду с механическими примесями и нефтью в закупорке

бактерий не более 10 тыс. клеток в 1 мл воды [160]. Наиболее опасны из них сульфатвосстанавливающие бактерии, которые развиваются в анаэробных условиях и образуют сероводород. Этот вопрос хорошоизучен на Ромашкинском месторождении и детально описан в че­ твертой главе.

15

При закачке пресной воды может происходить набухание гли­

глин при закачке пресной воды рекомендуется обрабатывать приза-

замедления ионообменного процесса между катионом кальция, вхо­ дящего в состав глин, и ионом водорода, содержащегося в соляной кислоте. После взаимодействия соляной кислоты с глиной в пласты закачивают пресную воду с добавкой неионогенных и катионоактивных поверхностно-активных веществ, которые адсорбируются на поверхности глинистых частиц. При этом глинистые частицы не подвергаются гидратации лишь в том случае, если поверхностноактивные вещества добавляются непрерывно к нагнетаемой воде.

Важным показателем качества воды, предназначенной для за­ качки в пласты, является ее коррозионная активность. Обычно

ствием разности потенциалов электроны перемещаются от анодного участка металла к катодному, т. е. протекает электрический ток от одного участка металла к другому. При этом металл анодного участка теряет электрон и переходит в раствор в виде катиона.

Освободившийся электрон при низких значениях pH среды связывается с катионом водорода, превращая его в атом водорода. При pH среды выше 4,5 электрон ионизирует растворенный в воде кислород [13], в результате чего образуется гидроксильный ион.

Переходящие в раствор с анодных участков катионы железа взаимодействуют с образующимися на катодных участках гидроксильными ионами с образованием гидрата закиси железа, который при наличии в воде растворенного кислорода окисляется в гидрат окиси

металла. При электрохимической коррозии характерно появление небольших язвочек (пятен) неправильной формы на поверхности

16

стенках трубопровода. По мере их появления снижается его про­ пускная способность, приходится затрачивать больше энергии на перекачку воды. Имеются примеры, когда пропускная способ­ ность водоводов в результате образования бугристых отложений продуктов электрохимической коррозии снизилась вдвое за 10— —15 лет.

Химическая коррозия оборудования обусловлена наличием в воде агрессивных по отношению к металлу газов — кислорода, угле­ кислого газа и сероводорода. Под воздействием растворенного в воде кислорода металл постепенно окисляется и ржавеет. При этом на поверхности его образуется пленка ржавчины, состоящая главным образом из окислов металла.

Пленка окислов в той или иной степени тормозит коррозионный процесс, но она не в состоянии изолировать металл полностью от корродирующего агента.

В присутствии в воде свободного углекислого газа химическая коррозия усиливается. Коррозионная активность углекислого газа, как показывают опыты [13, 165], возрастает с повышением темпе­ ратуры вследствие увеличения при этом степени его диссоциации и водородной деполяризации.

Агрессивность углекислого газа связана с тем, что он понижает pH среды, что приводит к разрушению защитных пленок на металле. Отложения окислов железа становятся рыхлыми и легко уносятся потоком воды. Поэтому при повышении концентрации свободного углекислого газа в воде скорость химической коррозии увеличи­ вается.

При содержании в воде сероводорода резко увеличивается ско­ рость коррозии. Сероводород реагирует с железом с образованием сернистого железа, которое не образует плотной защитной пленки на металле и не предохраняет его от дальнейшей коррозии.

Имеются также сообщения, что при сероводородной коррозии образуется гальваническая пара — железо и сульфид железа, при­ чем железо в этом случае является разрушающимся анодом. Поэтому наличие в воде сероводорода, даже в незначительном количестве, может служить причиной интенсивной коррозии. Следует отметить, что в большинстве случаев при химической коррозии наблюдается более или менее равномерное разрушение поверхности металла, контактирующей с водой. Скорость химической коррозии главным образом зависит от pH среды, температуры и скорости движения воды по трубопроводу. Чем ниже pH и больше температура и ско­ рость движения воды, тем выше скорость химической коррозии.

Коррозия трубопроводов и оборудования системы заводнения наносит ежегодно огромный материальный ущерб нефтяной про­ мышленности. Прежде всего, в результате коррозии разрушаются и выходят из строя насосы и водоводы. При высокой коррозионной агрессивности воды срок службы насосов не превышает 1500 ч, а тру­ бопроводов — не более 1,5—2 г. Замена и ремонт прокорродировавших участков трубопроводов и деталей оборудования требуют

частой остановки закачки воды в пласты, что нарушает заданный режим поддержания пластового давления в залежи. Кроме того, подготовленная вода дополнительно загрязняется продуктами кор­ розии.

Для борьбы с коррозией предложено несколько принципиально различных методов:

1)использование в системе водоснабжения неметаллических материалов;

2)покрытие трубопроводов и оборудование защитными изоля­ ционными материалами;

3)обработка нагнетаемой воды химическими ингибиторами кор­ розии;

4)применение катодной и протекторной защиты насосов и трубо­ проводов.

Из них наиболее универсальным и эффективным методом сни­ жения скорости коррозии оборудования и трубопроводов является обработка воды ингибиторами.

Лабораторные исследования показали, что самыми высокими защитными свойствами из 25 изученных веществ обладают четыре ингибитора: ИКН - 1, ИКБ-2, ИКБ-4 и полиэтоксиамин S/15.

сохранявшаяся более 1 месяца (для форсированного создания защит­

Промышленное испытание ингибитора ИКБ-2 (в сточную воду минерализацией 84—86 г/л постоянно в течение двух месяцев его

проводится большая работа по защите оборудования и трубопро­ водов путем нанесения на их поверхности антикоррозионных покры­ тий из лакокрасочных и других материалов.

Внутреннюю поверхность отстойников, насосов и других аппа­ ратов, соприкасающихся с минерализованной сточной водой, покры­

покрывать лакокрасочными полимерными материалами внутреннюю поверхность новых трубопроводов, предназначенных для перекачки сточных вод. Испытания таких трубопроводов показали обнадежи-

18

вающие результаты. Однако этот метод имеет много недостатков: необходимость тщательной подготовки поверхности трубопровода для обеспечения удовлетворительной адгезии полимера; трудо­ емкость; возмояшость нанесения покрытия только в теплую и сухую погоду; отсутствие надежных методов контроля качества покрытия, особенно в зоне сварных швов и т. п.

В стадии испытания находится также метод защиты от коррозии водоводов путем внутреннего футерования винипластовыми и поли­ этиленовыми трубами. Преимуществом данного метода является возможность его применения для защиты от коррозии старых водо­ водов. Одновременно испытываются для перекачки сточных вод стеклопластиковые трубы.

Большое внимание в последние годы уделяется защите от кор­ розии подземного оборудования нагнетательных скважин при закачке сточных вод. Исследованиями установлено, что коррозии подвер­ гаются как наружная, так и внутренняя поверхности колонны обсадных и насосно-компрессорных труб. Коррозия наружной

В последние годы разработана и внедряется в промышленных масш­ табах технология подъема гельцемента до устья нагнетательных скважин. К недостаткам этого метода можно отнести трудоемкость и сложность контроля качества цементажа. Поэтому в настоящее время усиленно изучается возможность широкого применения катод­ ной защиты наружной поверхности обсадной колонны от. коррозии. При испытаниях метода катодной защиты получены обнадежива­ ющие результаты. При этом в большинстве случаев применяли насоснокомпрессорные трубы, внутренняя поверхность которых была по­ крыта слоем эпоксидной смолы или остеклована, т. е. подземное оборудование нагнетательных скважин практически полностью было защищено от воздействия агрессивных сточных вод.

Таким образом, из перечисленных направлений защиты обору­ дования и трубопроводов от коррозии наиболее универсальной

инаименее трудоемкой является обработка сточных вод ингиби­ торами. Путем ингибирования можно защитить всю систему очистки

изакачки сточных вод. Однако широкому применению этого метода пока препятствует высокая стоимость и дефицитность эффективных ингибиторов коррозии.

Существенное значение для заводнения пластов имеет стабиль­ ность химического состава закачиваемой воды. Это значит, что в подготовленной для нагнетания в пласты воде при хранении и пере­ качке не должны образовываться дополнительно твердые взвешен­ ные частицы за счет химических реакций. Обычно воды поверх­ ностных водоемов после очистки более или менее стабильны. Однако большинство пластовых и сточных вод имеют низкую стабильность, что связано со значительным содержанием в них ионов закисного железа и бикарбонатов.