Основные принципы разработки нефтяных и газовых месторождений

Состояние развития нефтяной промышленности страны, как и любой другой сырьевой отрасли индустрии, зависит от целого ряда факторов, прежде всего природного характера, т. е. от наличия сырьевой базы и ее количественной и качественной характеристики, прослеживается четкая зависимость обеспеченности запасами, объемов добычи, темпов развития нефтедобывающей отрасли в отдельных регионах. От числа выявленных на их территории крупных и уникальных месторождений нефти. Всего в пределах России выделяется 12 нефтегазоносных провинций, но лишь четыре из них имеют развитую нефтяную промышленность и оказывают огромное, а подчас и определяющее влияние ка общее экономическое состоящие региона. К ним относятся Западно-Сибирская, Волго-Уральская, Тимано-Печорская и Северо-Кавказская провинции.

Открытие в начале 40-х годов крупнейших месторождений нефти в Волго-Уральской провинции послужило мощным толчком для создания научно-обоснованной системы разработки месторождений. Существовавший ранее подход к разработке небольших по размерам месторождений Вакинского, Грозненского и Майкопского рай оков, предусматривавший их разбуривание по плотной сотке скважин и выработку запасов нефти на естественном режиме, не годился для новых условий. При обширных размерах площадей нефтеносности, характерных для вновь открытых месторождений платформенного типа, разбуривание по плотной сетке скважин потребовало бы огромных капиталовложений и растянуло бы процесс разработки на длительный срок. Требовались принципиально новые решения, и они были обоснованы отечественной школой, но разработке нефтяных месторождений во главе; с академиком А. И. Крыловым. Впервые н мире была предложена система разработки с редкой сеткой скважин и с искусственным поддержанием давления за счет заводнения (13).

В течение последующих десятилетий две составляющие нового подхода к разработке месторождений — система заводнения и плотность разбуривания —постоянно находились и продолжают находиться в центре внимания разработчиков.

Методы законтурного, приконтурного и внутриконтурного заводнения, примененные впервые в широком промышленном масштабе на крупнейших месторождениях Урало-Поволжья. дали отличные результаты: позволили максимально вовлечь в разработку все запасы, интенсивности ни ропать добычу при оптимальных капиталовложениях и обеспечили таким образом высокую технологическую и экономическую эффективность разработки. В короткие сроки эти методы были внедрены во всех нефтедобывающих районах страны. К 1965 г. добыча нефти на месторождениях России, разрабатываемых с поддержанием пластового давления путем закачки воды, превысила 70% суммарной, а к 1980 г. уже более 90% всей нефти добывалось с применением методов заводнения.

Метод приконтурного заводнения применяют на месторождениях с низкой проницаемостью продуктивных пластов в части, заполненной водой. Поэтому нагнетательные скважины располагают либо вблизи контура нефтеносности, либо непосредственно на нем.

Метод внутриконтурного заводнения (рис. 2.3.) применяется для интенсификации разработки нефтяной залежи, занимающей значительную площадь.

Рис. 2.3. Схемы внутриконтурного заводнения: 1 — нагнетательные скважины; 2 — эксплуатационные скважины; 3 — внешний контур нефтеносности; 4 — направление действия давления

Сущность этого метода заключается в искусственном «разрезании» месторождения на отдельные участки, для каждого из которых осуществляется нечто подобное законтурному заводнению.

Следует отметить, что методами заводнения искусственно создается жестководонапорный режим работы залежи.

Для поддержания пластового давления применяют также метод закачки газа в газовую шапку нефтяного пласта (рис. 2.4). В этих целях используют нефтяной газ, отделенный от уже добытой нефти. Благодаря закачке газа увеличивается давление на нефтяную часть залежи, и дебиты нефтяных скважин растут.

Рис. 2.4. Схема расположения скважин при закачке газа в пласт: 1 — нагнетательные скважины; 2 — эксплуатационные скважины; 3 — внешний контур нефтеносности; 4 — направление действия давления; 5 — контур газоносности

В качестве нагнетательных в этом случае используют отработавшие нефтяные скважины, вскрывшие верхнюю часть продуктивного пласта, или бурят специальные скважины. Нагнетание газа в пласт производят при давлениях выше пластового на 10 — 20%.

Как видно, при закачке газа в газовую шапку искусственно создается газонапорный режим работы залежи. В настоящее время этот метод применяют редко в связи с дороговизной процесса и дефицитностью самого газа.

В процессе разработки нефтяных и газовых месторождений широко применяются методы повышения проницаемости пласта и призабойной зоны. По мере разработки залежи приток нефти и газа в скважину постепенно уменьшается. Причина этого заключается в «засорении» призабойной зоны — заполнении пор твердыми и разбухшими частицами породы, тяжелыми смолистыми остатками нефти, солями, выпадающими из пластовой воды, отложениями парафина, гидратами (в газовых пластах) и т. д. Для увеличения проницаемости пласта и призабойной зоны применяют механические, химические и физические методы.

К механическим методам относятся гидравлический разрыв пласта (ГРП), гидропескоструйная перфорация (ГПП) и торпедирование скважин.

Гидроразрыв пласта (рис. 2.5) производится путем закачки в него под давлением до 60 МПа нефти, пресной или минерализованной воды, нефтепродуктов (мазута, керосина, дизельного топлива) и других жидкостей. В результате этого в породах образуются новые или расширяются уже существующие трещины. Чтобы предотвратить их последующее закрытие, в жидкость добавляют песок, стеклянные и пластмассовые шарики, скорлупу грецкого ореха.

нефть скважина компрессорный газовый.

Рис. 2.5. Применение гидроразрыва пласта и кислотной обработки скважин: а — пласт перед воздействием; б — пласт после гидроразрыва; в — пласт (призабойная зона) после кислотной обработки; 1 — обсадная труба; 2 — ствол скважины; 3 — насосно-компрессорные трубы; 4 — трещины в породе, образовавшиеся после гидроразмыва; 5 — порода, проницаемость которой увеличена в результате кислотной обработки

Применение гидроразрыва дает наибольший эффект при низкой проницаемости пласта и призабойной зоны, и позволяет увеличить дебит нефтяных скважин в 2 — 3 раза.

Гидропескоструйная перфорация — это процесс создания отверстий в стенках эксплуатационной колонны, цементном камне и горной породе для сообщения продуктивного пласта со стволом скважины за счет энергии песчано-жидкостной струи, истекающей из насадок специального устройства (перфоратора). Рабочая жидкость с содержанием песка 50 — 200 г/л закачивается в скважину с расходом 3 — 4 л/с. На выходе же из насадок перфоратора ее скорость составляет 200 — 260 м/с, а перепад давления — 18 — 22 МПа. При данных условиях скорость перфорации колонны и породы составляет в среднем от 0,6 до 0,9 мм/с.

Торпедированием называется воздействие на призабойную зону пласта взрывом. Для этого в скважине напротив продуктивного пласта помещают соответствующий заряд взрывчатого вещества (тротила, гексогена, нитроглицерина, динамита) и подрывают его. При взрыве торпеды образуется мощная ударная волна, которая проходит через скважинную жидкость, достигает стенок эксплуатационной колонны, наносит сильный удар и вызывает растрескивание отложений (солей, парафина и др.).

В дальнейшем пульсация газового пузыря, образовавшегося из продуктов взрыва, обеспечивает вынос разрушенного осадка из каналов.

К химическим методам воздействия на призабойную зону относятся обработки кислотами, ПАВ, химреагентами и органическими растворителями.

Кислотные обработки осуществляются соляной, плавиковой, уксусной, серной и угольной кислотами. Соляной кислотой НСI 8 — 15% концентрации растворяют карбонатные породы (известняки, доломиты), слагающие продуктивные пласты, а также привнесенные в пласт загрязняющие частицы.

Плавиковая кислота НF в смеси с соляной предназначается для воздействия на песчаники, а также для удаления глинистого раствора, попавшего в поры пласта во время бурения или глушения скважины.

Уксусная кислота СН₃СООН добавляется в соляную кислоту для замедления скорости растворения карбонатной породы. Благодаря этому активный раствор соляной кислоты глубже проникает в поры породы. Кроме того, уксусная кислота также растворяет карбонатную породу и предотвращает выпадение в осадок гидрата окиси железа Fе (ОН)₃.

При закачке в скважину концентрированной серной кислоты Н₂SO₄ положительный эффект достигается двумя путями. Во-первых, за счет теплоты, выделяющейся в процессе ее смешения с водой, снижается вязкость нефти и соответственно увеличивается дебит скважины. Во-вторых, при смешении серной кислоты с нефтью образуются ПАВ, также улучшающие приток нефти из пласта в скважину.

Концентрированная серная кислота предназначается для воздействия на продуктивные пласты, образованные песчаниками. Дело в том, что при ее взаимодействии с карбонатными породами образуется нерастворимый в воде сульфат кальция СаSO₄, ухудшающий проницаемость призабойной зоны. Концентрированная серная кислота (98%) не разрушает металла. Коррозия начинается только при ее разбавлении водой.

Обработка призабойной зоны пластов ПАВ преследует цель удаления воды и загрязняющего материала. Отрицательная роль воды проявляется в том, что, попадая на забой скважины, она «закупоривает» часть пор, препятствуя притоку нефти и газа. Кроме того, вступая в контакт с глинистыми частицами пород, вода вызывает их набухание и разрушение. Это приводит к закупорке тонких поровых каналов и уменьшает дебит скважины.

Механизм действия ПАВ заключается в снижении поверхностного натяжения на границе воды с нефтью, газом и породой. Благодаря этому размер капель воды в поровом пространстве уменьшается в несколько раз и облегчается их вынос. Некоторые ПАВ, кроме того, делают поверхность поровых каналов в породе несмачиваемой для воды, но смачиваемой для нефти, что облегчает фильтрацию последней.

С помощью химреагентов и органических растворителей (СНПХ-7_р-1, СНПХ-7_р -2, газового конденсата, газового бензина, толуола и др.) удаляют асфальто-смолистые и парафиновые отложения.

К физическим методам воздействия на призабойную зону относятся тепловые обработки и вибровоздействия.

Целью тепловых обработок является удаление парафина и асфальто-смолистых веществ. Для этого применяют горячую нефть, пар, электронагреватели, термоакустическое воздействие, а также высокочастотную электромагнитоакустическую обработку.

При вибровоздействии призабойная зона пласта подвергается обработке пульсирующим давлением. Благодаря наличию жидкости в порах породы обрабатываемого пласта, по нему распространяются как искусственно создаваемые колебания, так и отраженные волны. Путем подбора частоты колебания давления можно добиться резонанса обоих видов волн, в результате чего возникнут нарушения в пористой среде, т. е. увеличится проницаемость пласта.

Методы повышения пластового давления и увеличения проницаемости пласта позволяют, главным образом, сокращать сроки разработки залежей за счет более интенсивных темпов отбора нефти и газа. Однако необходимо добиваться и наиболее полного извлечения нефти и газа из недр. Это достигается применением методов повышения нефтеи газоотдачи пластов.

Для повышения нефтеотдачи применяются следующие способы:

закачка в пласт воды, обработанной ПАВ;

• · вытеснение нефти растворами полимеров;
• · закачка в пласт углекислоты;
• · нагнетание в пласт теплоносителя;
• · внутрипластовое горение;
• * вытеснение нефти из пласта растворителями.

При закачке в нефтяной пласт воды, обработанной ПАВ, снижаетcя поверхностное натяжение на границе нефть—вода, что способствует дроблению глобул нефти и образованию маловязкой эмульсии типа «нефть в воде» для перемещения которой необходимы меньшие перепады давления. Одновременно резко снижается и поверхностное натяжение на границе нефти с породой, благодаря чему она более полно вытесняется из пор и смывается с поверхности породы. Концентрация наиболее эффективных ПАВ в воде при заводнении пластов не превышает 0,05%.

При закачке в пласт углекислоты происходит ее растворение в нефти, что сопровождается уменьшением вязкости последней и соответствующим увеличением притока к эксплуатационной скважине.

Опыт разработки залежей нефти показывает, что при снижении температуры в порах пласта происходит выпадение асфальтенов, смол и парафинов, затрудняющих фильтрацию. В пластах, содержащих высоковязкую нефть, даже незначительное снижение температуры в процессе разработки существенно снижает эффективность ее добычи. Поэтому одним из путей повышения нефтеотдачи является применение теплового воздействия на пласт.

Нагнетание в пласт теплоносителя (горячей воды или пара с температурой до 400 °С) позволяет значительно снизить вязкость нефти и увеличить ее подвижность, способствует растворению в нефти выпавших из нее асфальтенов, смол и парафинов.

Метод внутрипластового горения (рис. 2.6) заключается в том, что после зажигания тем или иным способом нефти у забоя нагнетательной (зажигательной) скважины в пласте создается движущийся очаг горения за счет постоянного нагнетания с поверхности воздуха или смеси воздуха с природным газом. Образующиеся впереди фронта горения пары нефти, а также нагретая нефть с пониженной вязкостью движутся к эксплуатационным скважинам и извлекаются через них на поверхность.

Рис. 2.6. Схема внутрипластового очага горения:

1 — нагнетательная (зажигательная) скважина; 2 — глубинный нагнетатель; 3 — выгоревшая часть пласта; 4 — очаг горения; 5 — обрабатываемая часть пласта (движение нефти, газов, паров воды); 6 — эксплуатационная скважина При вытеснении нефти из пласта растворителями в качестве вытесняющей фазы используются растворимые в нефти сжиженные пропан, бутан, смесь пропана с бутаном. В пласте они смешиваются с нефтью, уменьшая ее вязкость, что ведет к увеличению скорости фильтрации.

Для повышения газоотдачи применяют кислотные обработки скважин, гидроразрыв пласта, торпедирование скважин, а также отбор газа из скважин под вакуумом.

2.2 Эксплуатация нефтяных и газовых скважин Все известные способы эксплуатации скважин подразделяются на следующие группы:

• 1. фонтанный, когда нефть извлекается из скважин самоизливом;
• 2. с помощью энергии сжатого газа, вводимого в скважину извне (компрессорный способ)
• 3. насосный способ — извлечение нефти с помощью насосов различных типов.

Выбор способа эксплуатации нефтяных скважин зависит от величины пластового давления и глубины залегания пласта.

Фонтанный способ применяется, если пластовое давление велико. В этом случае нефть фонтанирует, поднимаясь на поверхность по насосно-компрессорным трубам за счет пластовой энергии. Условием фонтанирования является превышение пластового давления над гидростатическим давлением столба жидкости, заполняющей скважину.

Устройство скважины для фонтанной добычи нефти показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Устройство скважины для фонтанной добычи нефти: 1 — эксплуатационная колонна; 2 — насосно-компрессорные трубы; 3 — башмак; 4 — фланец; 5 — фонтанная арматура; 6 — штуцер

Нефть поступает в нее из пласта через отверстия в колонне эксплуатационных труб (1). Внутри эксплуатационной колонны находятся насосно-компрессорные трубы (2). Нефть поступает в них через башмак (3). Верхний конец насосно-компрессорных труб через фланец (4) соединяется с фонтанной арматурой (5). Фонтанная арматура представляет собой систему труб с задвижками. К этой системе присоединен штуцер (6), представляющий собой стальную болванку с цилиндрическим каналом малого сечения. Назначение штуцера заключается в ограничении притока нефти в скважину путем дросселирования давления на выходе из нее.

Установка штуцера позволяет обеспечить длительную и бесперебойную работу скважины в фонтанном режиме. Кроме того, благодаря низким скоростям притока нефти, уменьшается загрязнение скважины частицами породы.

Из штуцера пластовая нефть попадает в сепаратор (или трап), где происходит ее разделение на нефть и нефтяной газ.

Фонтанный способ эксплуатации нефтяных скважин применяется на начальном этапе разработки месторождений.

Все газовые скважины эксплуатируются фонтанным способом. Газ поступает на поверхность за счет пластового давления.

Компрессорным называется способ эксплуатации нефтяных скважин, при котором подъем жидкости из пласта на поверхность осуществляется сжатым газом, нагнетаемым в колонну подъемных труб.

Устройство скважины для компрессорной добычи нефти показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Устройство скважины для компрессорной добычи нефти: 1 — обсадная труба; 2 — подъемная труба; 3 — воздушная труба

При компрессорном способе в скважину опускают две соосные трубы. Внутреннюю (2), по которой смесь извлекается наверх, называют — подъемной, а наружную (3), по затрубному пространству между которой и трубой (2) в скважину под давлением подается газ, — воздушной. Подъемная труба короче воздушной.

Механизм компрессорной добычи нефти следующий (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Механизм компрессорной добычи нефти

При закачке газа в скважину нефть сначала полностью вытесняется в подъемную трубу. После этого в подъемную трубу проникает закачиваемый газ. Он смешивается с нефтью, в результате чего плотность смеси в подъемной трубе становится значительно меньше плотности нефти. Вследствие этого, чтобы уравновесить давление, создаваемое столбом нефти между трубами 1 и 3, столб смеси в подъемной трубе (2) удлиняется, достигает поверхности земли и поступает в выкидную линию скважины.

В зависимости от того, какой газ под давлением закачивается в скважину, различают два способа компрессорной добычи нефти: газлифт (рабочий агент — природный газ) и эрлифт (рабочий агент — воздух). Применение эрлифта менее распространено, так как при контакте с воздухом нефть окисляется.

Для закачки газа в скважину сооружают специальные газлифтные компрессорные станции.

Достоинствами компрессорного способа эксплуатации нефтяных скважин являются:

• 1. отсутствие подвижных и быстроизнашивающихся деталей (что позволяет эксплуатировать скважины с высоким содержанием песка);
• 2. доступность оборудования для обслуживания и ремонта (поскольку все оно размещается на поверхности земли);
• 3. простота регулирования дебита скважин.

Однако у способа имеются и недостатки:

• 1. высокие капитальные вложения на строительство мощных компрессорных станций и разветвленной сети газопроводов;
• 2. низкий КПД газлифтного подъемника и системы «компрессор-скважина».

Для уменьшения капиталовложений там, где возможно, в нефтяную скважину подают под давлением без дополнительной компрессии газ из газовых пластов. Такой способ называют бескомпрессорным лифтом.

В зависимости от конкретных условий месторождений и геолого-технических характеристик скважин применяют непрерывный и периодический газлифтные способы эксплуатации. При периодическом газлифте подача газа в скважину периодически прерывается с тем, чтобы в ней накопилось необходимое количество жидкости. Таким образом, эксплуатируют скважины с низкими забойным давлением и коэффициентом продуктивности. При низком забойном давлении, но высоком коэффициенте продуктивности применяют тот из двух способов, который имеет лучшие показатели (например меньший расход нагнетаемого газа).

Принципиальная схема газлифтного цикла приведена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема газлифтного цикла при добыче нефти:

1 —газовая скважина высокого давления; 2, 4, 8 — газовый сепаратор; 3 — теплообменник; 5 — газораспределительная батарея; 6 — газлифтная скважина; 7 — газонефтяной сепаратор; 9 — компрессорная станция; I — газ высокого давления из газовой скважины; II — продукция газлифтной скважины; III — нефть; IV — газ низкого давления, содержащий капельную нефть; V— газ низкого давления, очищенный от нефти; VI — сжатый газ в систему промыслового сбора; VII — газ высокого давления после компрессорной станции При наличии газовой скважины высокого давления реализуется бескомпрессорный лифт. Газ из скважины (1) через газовый сепаратор (2) подается в теплообменник (3). Нагретый газ после дополнительной очистки в сепараторе (4) проходит через газораспределительную батарею (5) и направляется к газлифтным скважинам (6). Продукция скважин направляется в газонефтяной сепаратор (7), после которого нефть поступает в коллектор, а газ, содержащий капельки нефти, проходит дополнительную очистку в сепараторе (8) и после сжатия в компрессорной станции (9) поступает в систему промыслового сбора.

Если газовой скважины высокого давления нет, то для газлифта используется попутный нефтяной газ. После компримирования газ из компрессорной станции (9) последовательно проходит теплообменник (3), газовый сепаратор (4) и т. д., пока вновь не поступит на станцию (9). В данном случае используется замкнутый газлифтный цикл, при котором нагнетаемый в скважины газ многократно используется для подъема жидкости.

При насосном способе эксплуатации подъем нефти из скважин на поверхность осуществляется штанговыми и бесштанговыми насосами.

Штанговый насос представляет собой плунжерный насос специальной конструкции, привод которого осуществляется с поверхности посредством штанги (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Схема добычи нефти с помощью штангового насоса: 1 — всасывающий клапан; 2 — нагнетательный клапан; 3 — штанга; 4 — тройник; 5 — устьевой сальник; 6 — балансир станка-качалки; 7 — кривошипно-шатунный механизм; 8 — электродвигатель; 9 — головка балансира; 10 — насосные трубы

В нижней части насоса установлен всасывающий клапан (1). Плунжер насоса, снабженный нагнетательным клапаном (2), подвешивается на насосной штанге (3). Верхняя часть штанги пропускается через устьевой сальник (5) и соединяется с головкой балансира станка-качалки (6). При помощи кривошипно-шатунного механизма (7) головка балансира (9) передает возвратно-поступательное движение штанге (3) и подвешенному на ней плунжеру. Станок приводится в действие электродвигателем (8) через систему передач.

Работает насос следующим образом. При ходе плунжера вверх верхний клапан (2) закрыт, так как на него действует давление вышележащего столба жидкости и плунжер работает как поршень, выталкивая нефть на поверхность. В это же время открывается приемный клапан (1) и жидкость поступает в цилиндр насоса. При ходе плунжера вниз нижний клапан закрывается, а верхний открывается и через полый плунжер жидкость выдавливается из цилиндра насоса в насосные трубы (10).

При непрерывной работе насоса в результате подкачки жидкости уровень последней в насосных трубах поднимается до устья и она поступает в выкидную линию через тройник (4).

Недостатками штанговых насосов являются громоздкость, возможность обрыва штанг, ограниченность применения в наклонных и сильнообводненных скважинах, недостаточно высокая подача, небольшие (до 2 км) глубины эксплуатации.

В связи с этим в последние годы при эксплуатации нефтяных скважин все шире применяются бесштанговые насосы (погружные электроцентробежные насосы, винтовые насосы и др).

Схема установки в скважине погружного электроцентробежного насоса (ЭЦН) приведена на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Схема установки ЭЦН в скважине: 1 — центробежный многоступенчатый насос; 2 — погружной электродвигатель; 3 — подъемные трубы; 4 — обратный клапан; 5 — устьевая арматура

Бронированный кабель для питания электродвигателя и источник электропитания на схеме условно не показаны.

Принцип действия установки следующий. Электрический ток из промысловой сети через автотрансформатор и станцию управления по бронированному кабелю поступает к электродвигателю (2). Вращая вал насоса (1), электродвигатель приводит его в действие. Всасываемая насосом нефть проходит через фильтр (на схеме не показан) и нагнетается по подъемным трубам (3) на поверхность. Чтобы нефть при остановке агрегата не сливалась из подъемных труб в скважину, в трубах над насосом смонтирован обратный клапан (4).

Погружной электроцентробежный насос представляет собой набор отдельных ступеней, в каждой из которых имеется свой ротор (центробежное колесо) и статор (направляющий аппарат). Роторы отдельных ступеней посажены на один вал, жестко соединенный с валом погружного электродвигателя. Каждая из ступеней ЭЦН развивает напор 3 — 5,5 м. Поэтому для обеспечения напора в 800 — 1000 м в корпусе насоса монтируют 150 — 200 ступеней.

Существенными недостатками электроцентробежных насосов являются их низкая эффективность при работе в скважинах с дебитом ниже 60 м³/сут.; снижение подачи, напора и КПД при увеличении вязкости откачиваемой смеси, а также при увеличении свободного газа на приеме насоса.

Погружные винтовые насосы стали применяться на практике сравнительно недавно. Винтовой насос — это насос объемного действия, подача которого прямо пропорциональна частоте вращения специального винта (или винтов). При вращении винт и его обойма образуют по всей длине ряд замкнутых полостей, которые передвигаются от приема насоса к его выкиду. Вместе с ними перемещается и откачиваемая жидкость.

Применение винтовых насосов особенно эффективно при откачке высоковязкой нефти. Схема их установки в скважине такая же, как и при применении ЭЦН.

Для насосной эксплуатации скважин используются также диафрагменные, гидропоршневые и струйные насосы.

• 1 Абдулмазитов Р. Д «Геология и разработка крупнейших и уникальных месторождений»
• 2 Востряков А. В. Ковальский Ф.И. «Геология и полезные ископаемые»
• 3 http://rushkolnik.ru/docs/index-6 417 496.html?page=3