Нефтегазовая геология

 

 

Механика пласта применительно к геологии нефти и газа. Вторичные методы разработки залежей

 

Истощение пластовой энергии приводит к тому, что часть нефти остается в пласте. Природная энергия пласта уже не может обеспечить передвижение нефти к забоям скважин. В связи с этим, когда разработка залежи на естественном режиме

 

¹В советской нефтепромысловой геологии нет термина, аналогичного американскому термину stripper wells, stripper pools. По смыслу ‑ это скважины или залежи, эксплуатация которых близка к пределу рентабельности. - Прим. перев.

 

приближается к своему экономическому пределу, дальнейшее извлечение нефти возможно только с применением методов искусственного поддержания пластовой энергии, таких, как закачка в пласт воды, воздуха, газа, несмешивающихся жидкостей, подземное сжигание нефти или нагнетание пара и т. д. Запасы нефти в США, которые могут быть получены с помощью вторичных методов разработки, оцениваются более чем в 7 млрд. баррелей [51]. Оставшиеся запасы нефти в месторождениях штата Арканзас после применения первичных методов равны количеству нефти, извлеченной с помощью этих методов. На месторождении Брадфорд в Пенсильвании добыча нефти первичными методами составила 250 млн. баррелей. С помощью вторичных методов (законтурного заводнения) предполагается добыть еще 320 млн. баррелей, а к 1980 г. будет добыто 170 млн. баррелей. Однако и после этого в пласте останется не менее 800 млн. баррелей нефти, которая должна будет извлекаться уже какими-то «третичными» методами [52]. Непрерывный прогресс вторичных методов разработки месторождений позволяет рассчитывать на то, что и на месторождении Брадфорд, и на многих других месторождениях, попавших в разряд малорентабельных, большая часть остаточных запасов нефти в конце концов будет извлечена.

 

Эффективность заводнения определяется главным образом способностью воды вытеснять из пласта оставшуюся в нем нефть. Процесс в общем аналогичен тому, что происходит при естественном вытеснении нефти водой в случае водонапорного режима. Вода нагнетается в пласт через специальные скважины, расположенные в определенном порядке. Расстояние между этими скважинами зависит от ряда причин, в том числе от стоимости скважин и продажной цены на нефть, а также от величины конечной нефтеотдачи, которую предполагается достигнуть.

 

 

Поступающая в пласт вода движется в направлении снижения гидравлического потенциала, увлекая за собой нефть, оставшуюся в порах при первичной добыче. Нефтенасыщенность перед фронтом движущейся воды возрастает, образуется «нефтяной вал», в конце концов достигающий эксплуатационных скважин. Однако количество воды, добываемой вместе с нефтью, постепенно увеличивается, и в конечном счете скважины дают чистую воду. Типичная эксплуатационная характеристика залежи в случае нагнетания воды в пласт приведена на 10-23.

Нагнетание газа или воздуха приводит к несколько иному эффекту. В этом случае «нефтяной вал» не образуется. Извлечению оставшейся в пласте нефти способствует повышение ее газонасыщенности: пузырьки газа или воздуха увлекают за собой нефть по более проницаемым зонам пласта. Кроме того, нагнетаемый под давлением газ в какой-то степени поддерживает пластовое давление, замедляет темп его снижения, т.е. увеличивает количество пластовой энергии, требующейся для максимального извлечения нефти. Этот газ, растворяясь в нефти, снижает также ее вязкость и способствует более свободному продвижению нефти по природному резервуару. Воздух-менее благоприятный агент для закачки в пласт, чем газ, вследствие высокого корродирующего воздействия на оборудование и способности взрываться при смешивании с газом. По мере увеличения количества закачиваемого в пласт газа величина газового фактора возрастает, а количество извлекаемой нефти уменьшается, пока в конечном счете скважины не перейдут полностью на газ. Нагнетание газа наиболее эффективно в случае высокой водонасыщенности пластов, в то время как заводнение более эффективно в пластах с низкой остаточной водонасыщенностью и высо­кой нефтенасыщенностью. Повышение нефтеотдачи может быть достигнуто и совместным или последовательным нагнетанием в истощенный пласт воды и газа. В лабораторных условиях испытывалось добавление к воде углекислого газа, не только как физического, но и как химического агента. При этом нефтеотдача значительно увеличивалась [53].

В последние годы интенсивно развивается новый метод извлечения остаточной нефти из истощенных пластов ‑ подземное горение [54]. Он заключается в нагнетании в пласт воздуха и последующем сжигании пластовой нефти в нагнетательных скважинах. Зажигание нефти производится с помощью забойных электро- или газовоспламенителей, а также химических реакций, дающих высокую температуру. На первых этапах горения в пласт может добавляться кислород. Когда пласт зажжен, аэрированный участок нагревается. Область нагрева движется по мере медленного перемещения фронта горения. Горящая нефть карбонизируется (обугливается) и становится основным топливом для этого фронта. Тепло и повышенное давление приводят к образованию «нефтяного вала», двигающегося в сторону эксплуатационных скважин.

Одним из многообещающих вариантов термальных методов воздействия на пласт является закачка горячей воды и пара [55]. Он заключается в подаче в пласт воды и пара достаточно высокой температуры - около 400°F (сообщается и о более высоких температурах нагнетания - до 700°F). Извлечение остаточной нефти происходит главным образом в результате увеличения ее подвижности при повышении температуры, а также вследствие теплового расширения нефти. Закачка горячей воды и пара производится периодически через определенные промежутки времени. Добыча нефти происходит либо через нагнетательные скважины во время их остановки, либо непрерывно - через эксплуатационные скважины.

Большая часть неглубоко залегающих залежей в США в настоящее время разрабатывается с помощью вторичных методов. Обычно применяется нагнетание газа или воды. Закачка воздуха применяется только в тех случаях, когда нет газа, а заводнение по каким-либо причинам невозможно. При прочих равных условиях заводнение оказывается обычно наиболее эффективным.

При особо благоприятных пластовых условиях практически вся извлекаемая нефть может быть извлечена только с помощью первичных методов, и необходимости в применении вторичных методов может не возникнуть. Нефть, получаемая в результате применения вторичных методов разработки, значительно более дорогая, чем нефть, добываемая с помощью первичных методов. Проект разработки новой залежи должен быть составлен так, чтобы максимальное количество нефти было получено с помощью первичных методов. Наиболее благоприятны условия для применения вторичных методов разработки, когда количество оставшейся в пласте нефти достаточно велико.

 

Добыча газа

Природный газ может добываться вместе с нефтью (попутный газ) или в чистом виде из чисто газовых залежей (свободный газ).

 

Попутный газ

Обычно при эксплуатации нефтяных месторождений вместе с нефтью добывается значительное количество газа. Даже если свободный газ в начальный период отсутствует и весь газ находится в растворенном состоянии в нефти, впоследствии в связи со снижением пластового давления может образоваться газовая шапка (см. 5-26). На поверхности избыточное количество газа отделяется от нефти в сепараторе и затем перерабатывается для извлечения естественных бензиновых фракций или получения газопродуктов (пропан, бутан, пентан) в сжиженном виде (так называемый «сжиженный нефтяной газ»). После очистки (осушения) оставшийся попутный газ смешивается с обычным сухим газом чисто газовых залежей и в таком виде поступает в газопроводы.

Попутный газ выполняет две крайне важные функции в пласте: 1) он является одним из источников пластовой энергии, способствуя продвижению нефти к забоям скважин и иногда даже на поверхность; 2) будучи растворенным в нефти, он понижает ее вязкость, делает более подвижной и, следовательно, легче извлекаемой.

Часто добываемый вместе с нефтью попутный газ используется в качестве топлива на промыслах. На тех месторождениях, где добывается большое количество попутного газа, строятся газобензиновые заводы, перерабатывающие этот газ и производящие бензин и другие жидкие углеводороды. Если осушенный попутный газ не находит сбыта, а количество его превышает нужды промысла, то он обычно выпускается в воздух или сжигается в факелах. На промысле газ используется также в качестве топлива для паровых и газовых двигателей, обслуживающих глубиннонасосные скважины, для обогрева и освещения. Наибольшее применение избыточный газ находит на истощенных месторождениях, где он закачивается обратно в пласт для поддержания пластового давления и повышения нефтеотдачи.

 

Свободный газ

 

Большая часть газа, используемого в промышленности и транспорти­руемого по газопроводам, добывается из чисто газовых месторождении и залежей. Обычно этот газ сухой, его перекачивают из скважин непосредственно в газопроводы. Когда пластовое давление в газовой залежи снизится настолько, что скважины не смогут подавать газ в газопроводы из-за того, что в них более высокое давление, газ из скважин предварительно сжимается в компрессорных установках до тех пор, пока его давление не превысит давление в трубопроводе.

Коэффициент газоотдачи продуктивных пластов по отношению к геологическим запасам обычно значительно выше, чем коэффициент нефтеотдачи, причем этот газ на промыслах никогда не сжигается в факелах и не выпускается в воздух.

В газоконденсатных залежах наиболее тяжелые углеводороды в пластовых условиях растворены в газовой фазе (см. 10-4, В). В случае снижения давления, но не температуры, из газовой фазы эти углеводороды выделяются в виде жидкости. Для того чтобы обеспечить максимальное извлечение пластовых флюидов из газоконденсатных залежей, необходимо

 

поддерживать пластовое давление на уровне, превышающем давление кон­денсации. Выпавший в залежи конденсат адсорбируется на поверхности песчинок и становится практически неизвлекаемым. Поэтому газоконденсатные залежи эксплуатируются при высоких пластовых давлениях, обеспечивающих газообразное состояние пластовых флюидов. Конденсат выпадает из газа уже за пределами залежи в связи со снижением давления. Если основной целью является добыча именно конденсата, то осушенный газ вновь сжимается в компрессорах и закачивается под давлением обратно в залежь, что поддерживает пластовое давление и препятствует выпадению конденсата в пласте. Этот процесс называется сайклингом или рециркуляцией и обеспечивает наиболее высокий коэффициент извлечения жидких углеводородов из газоконденсатных залежей.

Многие районы характеризуются преобладанием какого-либо одного вида залежей - чисто газовых или чисто нефтяных. В некоторых месторождениях неглубоко залегающие горизонты являются газоносными, ниже располагаются нефтяные залежи, насыщенные растворенным газом, а самые глубокие горизонты содержат газоконденсатные залежи. В то же время наблюдаются случаи, когда одни и те же породы содержат газовую залежь и в непосредственной близости - чисто нефтяную залежь. На 10-24 показано распространение нефтяных и газовых залежей, типичное для многих нефтегазоносных районов.

Может быть предложено несколько возможных объяснений таких особенностей распространения нефтяных и газовых залежей: 1) ловушки образуются в различное время даже в одной и той же провинции, нефть и газ мигрируют в различных соотношениях в разное время, в связи с чем одни ловушки заполняются преимущественно газом, другие - преимущественно нефтью; 2) особенности образования углеводородов могли быть такими, что в одних отложениях или участках возникали главным образом газ и углеводороды с низкой точкой кипения (низким давлением насыщения), а в других - в основном нефть; 3) гидродинамические условия в прошлом могли привести к удалению нефти из ловушки и заполнению ее чистым газом; 4) могло происходить избирательное улавливание нефти или газа (см. стр. 525-526); 5) коллектор, в который попадает смесь мигрирующих нефти и газа, может содержать олеофильные частички; нефть в таком коллекторе задержится, а газ будет мигрировать дальше.

 

Экономические и правовые вопросы

 

Инженер-промысловик обязан обеспечить максимально эффективную добычу нефти и газа при минимуме затрат. Однако, кроме чисто технической стороны, эта проблема связана еще и со многими экономическими факторами и различными правилами, устанавливаемыми правительством и промышленниками.

Основными экономическими факторами, с которыми приходится иметь дело при решении вопросов разработки залежи, являются глубины скважин, стоимость бурения и эксплуатации, продажная цена нефти, арендные ограничения. Максимальная прибыль может быть получена в том случае, если стоимость добычи и транспортировки нефти меньше ее продажной цены. Величина этой прибыли определяется продуктивностью пород и извлекаемыми запасами нефти, так как эти факторы обусловливают тип и количество применяемого оборудования. На промыслах, дающих небольшую прибыль, устанавливается лишь недорогое оборудование и в минимальном количестве. Такое оборудование, естественно, не может обеспечить высокие темпы добычи, какие дает более дорогое и совершенное оборудование. В некоторых особых случаях месторождения разрабатываются, несмотря на то что они не дают прибыли в обычном денежном выражении. К таким месторождениям относятся, например, отдельные месторождения, составляющие стратегический резерв морского флота США, национализированные месторождения в некоторых странах и т.п.

Практически разработка всех месторождений нефти и газа регулируется различными правилами. Наиболее полный контроль осуществляется в тех странах, где государство является собственником минеральных ресурсов и само добывает их. Но даже в таких странах, как США, где отдельные землевладельцы являются собственниками минеральных ресурсов, заключенных в недрах их владений, государством осуществляется определенный контроль за эксплуатацией нефти и газа с целью повышения эффективности разработки месторождений и сведения к минимуму потерь национальных ресурсов. Эти правила обычно составляют часть законов об охране недр в данном штате, провинции или в целом по стране и определяют темп добычи, методы цементирования и крепления скважин, использование соленых и минерализованных вод, максимально эффективное использование пластовой энергии. Опыт научил промышленников тому, что наиболее эффективная разработка месторождений в конечном счете оказывается и наиболее выгодной. Многие правительственные постановления, направленные на повышение эффективности разработки месторождений, были приняты по инициативе именно дальновидных промышленников. При предоставлении крупных правительственных концессий нефтедобывающим компаниям всегда оговаривается максимально эффективный способ разработки месторождений. Довод один ‑ это наиболее выгодный путь добычи нефти и газа.

Постоянное повышение нефтеотдачи ‑ проблема в основном техническая. Но максимальное извлечение нефти из пласта возможно лишь в том случае, если усилия как техников, так и предпринимателей будут направлены к одной цели ‑ наиболее полному использованию пластовой энергии. Поскольку нефть, остающаяся в истощенном пласте, становится практически неизвлекаемой, потеря пластовой энергии равносильна потере нефти.

 

Заключение

 

Основные положения механики пласта применительно к геологии нефти и газа следующие:

Огромная масса новых количественных и полуколичественных данных, постоянно пополняющих наши знания о процессах, происходящих в продуктивном пласте, заставляет существенно менять многие старые представления о механике пласта и составлять новые.

Природный резервуар и насыщающие его флюиды - это сложный комплекс многих взаимосвязанных переменных, чувствительных к различным изменениям. Изменение одной из переменных тотчас ведет к нарушению установившегося в пласте равновесия, что в свою очередь обусловливает возникновение ряда новых процессов. Несомненно, в течение геологического времени такие изменения происходили неоднократно, и мы можем представить себе, что почти каждое изменение геологических условий в прошлом отражалось на истории нефтяных и газовых залежей. Из этого следует, что знание общих черт истории геологического развития того или иного района может быть использовано для более обоснованных поисков новых месторождений нефти и газа. Мы видим, что изучение практически всех отраслей геологической науки необходимо для правильного понимания геологического строения и истории развития района.

Механика пласта позволяет установить, что огромные количества нефти остаются в пласте иеизвлеченными, но она также показывает.- и это, пожалуй, важнее,- почему нефть стала неизвлекаемой. Все. что мы знаем о породе-коллекторе и насыщающих ее флюидах,- еще один шаг в направлении решения грандиозной проблемы «Как добыть неизвлекаемую нефть?» Возможно, что в США, добывших за всю историю нефтяной промышленности огромное количество нефти, будет найдено решение этой проблемы. Однако следует иметь в виду, что это .решение зависит не только от одних геологов.

 

 

К содержанию: Леворсен: ГЕОЛОГИЯ НЕФТИ И ГАЗА

 

Смотрите также:

 

ГЕОЛОГИЯ. Учебник  Историческая геология  Геология полезных ископаемых  Месторождения ископаемых