УДК 622.276

Соломчак Я.В. Нафтогазова механіка. Конспект лекцій. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2009. - 204 с.

У роботі подані загальні положення, що вивчаються даною дисципліною, та її зв'язок з іншими дисциплінами, стан нафтогазовидобувної галузі та проблеми нафтогазовидобутку.

Розглянуті основні властивості гірських порід – колекторів нафти і газу та детально висвітлені параметри, що їх характеризують, і існуючий зв'язок між ними. Охарактеризовані пластові вуглеводні та вода, їх фізико-хімічні властивості, фазові перетворення вуглеводневих систем, а також молекулярно-поверхневі процеси, які відбуваються на границях розділу фаз.

Наведена класифікація та характеристика режимів роботи нафтових і газових покладів, коефіцієнт нафтогазовилучення та чинники, що на нього впливають. Коротко подана класифікація, призначення та фізичні основи і критерії застосування методів підвищення нафтогазоконденсато-вилучення.

Рецензент: кандидат технічних наук,

доцент кафедри РЕНГР Р.М.Попадюк

© Соломчак Я.В., 2009.

© ІФНТУНГ, 2009.

З М І С Т

	Передмова		6
1		Нафтогазова механіка як наука, її розвиток та зв'язок з іншими дисциплінами	8
2		Стан розвитку нафтогазової галузі та проблеми нафтогазовидобутку	15
2.1		Короткі відомості про Земну кору	20
3		Природні колектори нафти і газу та їх основні властивості	22
3.1		Гранулометричний склад порід-колекторів	26
3.2		Пористість	30
3.2.1		Залежність пористості від кладки зерен, тиску та температури	33
3.3		Неоднорідність колекторських властивостей пласта	35
3.4		Фізико-механічні властивості гірських порід	38
3.5		Теплові властивості гірських порід	42
3.6		Акустичні властивості гірських порід	43
3.7		Проникність	47
3.7.1		Абсолютна проникність	49
3.7.2		Проникність тріщинуватих порід	54
3.7.3		Залежність проникності від пористості та розміру пор	57
3.7.4		Фазова (ефективна) проникність	60
3.7.5		Відносна проникність	62
3.8		Питома поверхня гірських порід	66
4		Пластові вуглеводні	71
4.1		Склад та фізичні властивості нафт	74
4.1.1		Густина пластової нафти	85
4.1.2		В’язкість пластової нафти	86
4.1.3		Структурно-механічні властивості аномально-в´язких нафт	87
4.1.4		Фотоколориметрія нафти	92
4.2		Природний газ. Cклад та властивості природного газу	95
4.2.1		Склад та класифікація природних газів	97
4.2.2		Фізико-хімічні властивості вуглеводневих газів	102
4.2.3		Стан та параметри газових сумішей	104
4.2.4		Вміст важких вуглеводнів у суміші	106
5		Фазові перетворення вуглеводневих систем	108
5.1		Склад та характеристика рідкої суміші	108
5.2		Газовий конденсат	116
5.3		Газогідрати	117
6		Склад та фізико-хімічні властивості пластових вод	121
6.1		Залишкова вода	121
6.2		Підземні води	123
6.3		Основні властивості пластових вод та параметри, що їх характеризують	125
7		Молекулярно-поверхневі явища та капілярні процеси	130
8		Режими роботи нафтових і газових покладів	138
8.1		Коефіцієнт нафтовилучення та чинники, що на нього впливають	141
8.2		Визначення нафтовилучення промисловими методами	148
8.3		Визначення нафтовилучення за допомогою лабораторних досліджень	149
9		Призначення, напрямки розвитку і класифікація методів підвищення нафтовилучення пластів	153
9.1		Фізико-гідродинамічні методи підвищення нафтовилучення	161
9.1.1		Методи збільшення нафтовилучення, пов’язані з системою розробки нафтового покладу	161
9.1.2		Циклічна дія на пласт під час заводнення	162
9.1.3		Зміна напрямків фільтраційних потоків	164
9.1.4		Встановлення оптимальних величин репресії і депресії на пласт	165
9.1.5		Часткове зниження тиску нижче тиску насичення нафти	165
9.2		Фізико-хімічні методи підвищення нафтовилучення пластів	166
9.2.1		Методи для покращення заводнення	168
9.2.2		Методи підвищення нафтовилучення	175
9.3		Газові методи збільшення нафтовилучення пластів	181
9.3.1		Застосування сухого вуглеводневого газу	182
9.3.2		Застосування збагаченого і зрідженого газу	182
9.3.3		Застосування газу високого тиску	183
9.3.4		Застосування інших газів і сумішей	184
9.3.5		Газоводяна дія на пласти	184
9.4		Теплові методи підвищення нафтовилучення пластів	189
9.4.1		Застосування нагрітої води	189
9.4.2		Застосування пари	190
9.4.3		Застосування внутрішньопластового горіння	191
9.5		Критерії застосування методів підвищення нафтовилучення	193
9.6		Ефективність застосування методів підвищення нафтовилучення пластів	198
9.6.1		Оцінка технологічного ефекту	198
9.6.2		Оцінка економічної ефективності впровадження методів підвищення нафтовилучення пластів	201
		Перелік використаних джерел	203

Передмова

Нафтова і газова промисловість – одна з основних потужних галузей народного господарства багатьох держав. Частка нафти і газу в паливно-енергетичному балансі країн безперервно зростає.

Досягнення нафтової і газової промисловості пов’язані з розвитком нафтогазопромислової геології, геофізичних досліджень, техніки і технології буріння, видобування, транспортування, технології розробки родовищ, а також хімічної переробки вуглеводнів.

Процеси розробки і експлуатації нафтових, газових і газоконденсатних родовищ тісно пов’язані з закономірностями фільтрації вуглеводнів і води в гірських породах, які складають продуктивні пласти. Тому властивості гірських порід і пластових флюїдів визначають раціональну технологію розробки покладів нафти і газу та економічні показники їх вилучення з надр.

Матеріали даної дисципліни служать основою, на якій ґрунтуються всі наступні спеціальні дисципліни, що визначають фахову кваліфікацію спеціаліста, який працює в області розробки та експлуатації нафтових, газових і газоконденсатних родовищ. За методами досліджень та складу матеріалу, що розглядається, курс «Нафтогазогазової механіки» близький до курсів «Нафтогазопромислова геологія», «Фізика», «Фізична і колоїдна хімія».

Основні задачі, які розв’язує «Нафтогазова механіка», полягають у вивченні колекторських і фільтраційно-ємнісних властивостей гірських порід, фізичних і фізико-хімічних властивостей пластових рідин і газів в умовах їх залягання, що постійно змінюються в процесі розробки родовищ, та у вивченні фізичних основ підвищення нафтогазоконденсато-вилучення колекторів.

Автор виражає щиру подяку канд.техн. наук Ліскевичу Є.І. за добірку матеріалу та вказані зауваження щодо покращення подачі окремих параграфів.

1 Нафтогазова механіка як наука, її розвиток та зв'язок з іншими дисциплінами

Нафтогазова механіка (раніше «Фізика нафтового і газового пласта») – це наука, яка вивчає фізичні властивості нафтових і газових колекторів, фізико-хімічні властивості пластових рідин, газів та газоконденсатних сумішей та їх фільтрацію в породах-колекторах, методи, закони та прилади для визначення їх параметрів, а також фізичні основи і обладнання для піднімання флюїдів на поверхню та методів підвищення нафтогазоконденсатовилучення пластів.

Знання даної дисципліни необхідне і сприяє вивченню необхідних для спеціаліста-нафтовика чи згодом наукового співробітника таких дисциплін, як «Підземна гідрогазомеханіка», «Буріння нафтових і газових свердловин», «Технологія та техніка видобування нафти і газу», «Технологія розробки нафтових, газових та газоконденсатних родовищ», «Збір та підготовка нафти і газу на промислах», «Обладнання нафтових і газових промислів», «Транспортування промислової продукції».

Процеси розробки та експлуатації нафтових, газових та газоконденсатних родовищ тісно пов’язані із закономірностями фільтрації вуглеводнів та води в гірських породах, з яких складені продуктивні пласти. Тому знання властивостей гірських порід та пластових рідин, закономірності взаємодії їх між собою та з поверхнею гірських порід визначає раціональну технологію розробки покладів нафти і газу, а також економічні показники їх вилучення з надр.

Останнім часом все частіше до експлуатації залучаються родовища, які залягають на значній глибині. Це явище закономірне, оскільки розвідка та розробка корисних копалин взагалі і, зокрема, нафти, газу чи газового конденсату звичайно здійснюється від поверхні, а потім в глибину. Ця тенденція, очевидно, буде зберігатись і в майбутньому. Тому необхідно приділяти належну увагу методам аналізу властивостей гірських порід та пластових флюїдів в умовах високих тисків та температур.

Надзвичайно гострою залишається проблема росту ступеня вилучення з надр нафти, газу та газового конденсату.

Рух рідини та газу в пластах виникає щоразу, коли починають видобувати нафту чи газ, чи обидва ці компоненти разом. Цей рух має специфічні особливості, що відрізняє його від руху рідин та газів у трубах чи відкритих руслах, і називається фільтрацією. Знати особливості цього руху в пористому чи тріщинному середовищі необхідно для здійснення успішної розробки нафтових і газових родовищ.

Процес вилучення нафти і газу з пласта супроводжується фізико-хімічними явищами, що виникають у нафто- чи газонасиченому пласті. Так, якщо рух рідини відбувається через порові звуження, всередині гірської породи виникають поверхневі явища на стінках каналів, які зумовлені взаємодією між молекулами рідини та твердого тіла. При зміні пластового тиску природний газ може розчинятися в пластовій рідині (нафті) або виділятись з неї.

Започаткував розвиток даної науки французький інженер-дослідник Анрі Дарсі. Ним був виконаний перший обґрунтований гідравлічний розрахунок водопроводу в м. Діжоні (Франція) у 1840 р. Результати своїх дослідів і спостережень та встановлений ним лінійний закон фільтрації (нині основний закон фільтрації – закон Дарсі) були опубліковані у 1856 р.

Після цього вчений І.Дюпюї розробив питання гідравлічного обґрунтування дослідного закону Дарсі та запропонував його використання в продуктивних пластах. В кінці ХІХ ст. Ч.Сліхтер опублікував ґрунтовне дослідження з питань геометрії порового середовища. Значний внесок у розвиток теорії фільтрації рідин через пористе середовище вніс М.М.Павловський.

Засновником нафтогазової підземної гідромеханіки став Л.С.Лейбензон.

Дослідження американських вчених Маскета, Мура, Шапюіза, Херста та ін., що здійснювались у 30-х роках минулого століття, довели необхідність врахування пружності пластових флюїдів при зміні пластових умов, як і пружність скелету нафтогазовміщуючої породи. Ними були закладені основи сучасної теорії пружного режиму нафтового пласта та режиму розчиненого газу. Необхідно також виділити дослідження Е.Б.Чекалюка в галузі підземної гідротермодинаміки.

Широкого розмаху набули дослідження з питань нафтогазової механіки в роботах А.Хупера (Франція), А.Шайдеггера (Канада), Н.Крістеа (Румунія) та ін.

Одним з головних досягнень в галузі підземної нафтогазової механіки було встановлення основних сил, які рухають нафту чи газ до вибоїв свердловин, що означає опанування вченням про джерела пластової енергії та режими роботи нафтових, газових та газоконденсатних родовищ. У створення цього вчення значний внесок зробили вчені Маскет, Віков, Ботсет, Леверетт, Лейбензон, Крилов, Кусаков, Ребіндер, Чарний, Щелкачов та багато інших.

У 50-х роках минулого століття в значній мірі почала вирішуватись проблема розробки нафтових родовищ зі змішаними режимами – водонапірному та розчиненого газу. Тоді ж почали інтенсивно розвиватись методи визначення параметрів пластів з використанням гідродинамічних досліджень свердловин.

Розвиток проектування, аналізу та регулювання процесів розробки нафтових родовищ вимагав використання складних математичних методів та обчислювальних засобів. Якщо у 30-50 рр. ХХ ст. в розрахунках використовували головним чином наближені методи вирішення задач підземної гідромеханіки, то в кінці 50-х та в 60-х стали застосовувати числові методи вирішення задач фільтрації пластових рідин та газів.

Процес таких досліджень триває постійно, не припиняючись і сьогодні.

Хоча довгий час заводнення було основним методом дії на нафтові пласти, та все ж у 50-і роки минулого століття стало очевидним, що таким способом неможливо повністю вирішити проблему максимального вилучення нафти з надр, особливо під час розробки родовищ з високов’язкими та високопарафінистими нафтами. Були здійснені фундаментальні дослідження і розроблені інженерні рішення, які стали основою розвитку теплових методів розробки нафтових родовищ і які були пов’язані з нагнітанням у продуктивні пласти теплоносіїв та з внутрішньопластовим горінням. В той же час у всьому світі велика увага приділялась розвитку фізико-хімічних методів підвищення видобутку нафти з надр. До цих методів належать витіснення нафти вуглеводневими розчинниками, двоокисом вуглецю, розчинами поверхнево-активних речовин, полімерів, міцелярно-полімерними розчинами та ін.

Для ефективної розробки нафтових, газових та газоконденсатних родовищ необхідно володіти не тільки загальними відомостями про геометричні розміри (площа та потужність) продуктивних пластів в умовах залягання, але й детальними даними про їх структуру, колекторські властивості та ступінь нафтогазонасичення. Ці відомості дозволяють найбільш точно підрахувати запаси нафти, газу чи конденсату, обґрунтовано скласти технологічну частину проекту розробки та визначити техніко-економічні показники розробки в цілому та протягом кожного з років.

Вивчення структури порового простору порід, їх пористості, проникності та водонафтогазонасиченості здійснюється за даними аналізів зразків порід, що відібрані під час буріння свердловин. Не зважаючи на видиму досконалість визначення вказаних параметрів і на їх широку розповсюдженість, ці аналізи не завжди дають можливість вирішувати поставлені завдання з необхідною точністю. Причинами тут є:

- незначне винесення керну під час проходження пластів існуючими колонковими долотами, що не дає можливості повністю вивчити розріз свердловини і, особливо, колекторів нафти і газу. Крім цього, найбільш пористі і проникні породи часто не піднімаються на поверхню, що створює невідповідну істині уяву про колектор;

- відібрані зразки порід (керни) мають незначні розміри і не дають можливості одержати повну уяву про колектор;

- під час відбору керну порушується його структура, що знижує точність визначення значень параметрів, що характеризують колекторські властивості;

- в більшості випадків не вдається встановити склад флюїду, що заповнює пористе середовище, тобто визначити початкову водонафтогазонасиченість продуктивних пластів.

Тому на допомогу приходять геофізичні методи визначення параметрів продуктивних горизонтів. Існують чіткі залежності між фізичними властивостями (питомим електричним опором, електрохімічною природною чи наведеною активністю, радіоактивністю, швидкістю проходження сейсмічних хвиль) та колекторськими властивостями (пористістю, проникністю, питомою поверхнею) і нафтогазонасиченістю гірських порід.

Точність визначення колекторських властивостей та нафтогазонасиченості за геофізичними даними в більшості випадків залежить від ступеня вивченості фізичних властивостей гірських порід даного родовища та якості реєстрації фізичних параметрів, що вимірюються в свердловинах.

Нафтогазова механіка – це наука, що інтенсивно розвивається. Подальший її розвиток пов’язаний із застосуванням нових технологій вилучення нафти з надр, нових методів розпізнавання характеру проходження внутрішньопластових процесів, з розвитком методів детального вивчення будови пластів та пористого середовища, характеру поверхні пластів-колекторів, зміни та причини змін змочуваності поверхні порових каналів, характеру процесів, що протікають в порах пласта під час реалізації різних методів підвищення ступеня вилучення нафти з пластів, з вивченням процесів на фізичних та математичних моделях пластів з подальшою їх апробацією та реалізацією в промислових умовах.

У курсі «Нафтогазова механіка» комплексно використовуються важливі положення геології, фізики, хімії, фізико-хімії нафтогазового пласта, підземної гідрогазомеханіки, механіки та термодинаміки гірських порід, технології експлуатації свердловин та систем видобутку.