Эксплуатация нефтяных и газовых скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"

Кафедра "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений"

Отчет по учебно-технологической практике

Выполнили:

студенты гр. НД-13-3

Березовский А.С.

Боднар Д.О.

Кожевников А.А.

Руководитель:

ассистент Тананыхин Д.С.

Санкт-Петербург

2014



Содержание

Введение

1. Краткая история развития нефтегазового дела

2. Понятие скважины. Назначение скважин

3. Физика нефтяного и газового пласта

3.1 Геолого-промысловая характеристика продуктивных пластов

3.2 Физические свойства пластовых флюидов

4. Разработка нефтяных и газовых месторождений

4.1 Понятие о нефтяной и газовой залежи

4.2 Режимы работы залежей

4.3 Стадии разработки месторождений

5. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин

5.1 Фонтанный способ эксплуатации

5.2 Газлифтный способ эксплуатации

5.3 Глубиннонасосный способ эксплуатации

5.3.1 Эксплуатация скважин штанговыми насосами

5.3.2 Эксплуатация скважин погружными электроцентробежными насосами

5.3.3 Эксплуатация скважин винтовыми насосами

5.3.4 Эксплуатация скважин гидропоршневыми насосными установками

5.4 Эксплуатация газовых скважин

6. Сбор и подготовка нефти и газа

7. Методы повышения нефтеотдачи пластов

Заключение

Список используемых источников

нефтевой газовый скважина пласт



Введение

Нефть и газ известны человечеству с доисторических времен. Археологическими раскопками установлено, что на берегу Евфрата нефть добывалась за 6-4 тыс. лет до н. э.

До середины ХIХ в. нефть добывалась в небольших количествах, в основном из неглубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на дневную поверхность. Зарождение нефтегазовой промышленности началось в конце 60-х годов прошлого века с началом бурения нефтяных скважин. Нефть и природный газ сейчас лежат в основе мирового топливно-энергетического баланса. Продукты переработки нефти широко используются во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, на транспорте и в быту.

Доля нефти в общем потреблении энергоресурсов постоянно растет: если в 1900 году на долю нефти приходилось 3% мирового энергопотребления, то к 1914 году ее доля выросла до 5%, в 1939 году - до 17,5%, достигла 24% в 1950 году, 41,5% в 1972 году и примерно 65% - в 2000 году [7].

Нефтяная промышленность в разных странах мира существует всего 110 - 140 лет, но за этот отрезок времени добыча нефти и газа увеличилась более чем в 40 тыс. раз. Быстрый рост добычи связан с условиями залегания и извлечения этого полезного ископаемого. Нефть и газ приурочены к осадочным породам и распространены регионально. Причем в каждом седиментационном бассейне отмечается концентрация основных их запасов в сравнительно ограниченном количестве месторождений. Все это с учетом возрастающего потребления нефти и газа в промышленности и возможностью их быстрого и экономичного извлечения из недр делают эти полезные ископаемые объектом первоочередных поисков.



1. Краткая история развития нефтегазового дела

Примерно 3 тыс. лет до н. э. Жители Ближнего Востока начинают использовать нефть в качестве топлива, для изготовления оружия, для светильников и строительного материала (битум, асфальт). Нефть собирали с поверхности открытых водоемов.

347 год н. э. В Китае впервые пробурили скважины в земле для получения нефти. В качестве труб использовались полые стволы бамбука.

7 век н. э. В Византии или Персии изобретено супер оружие того времени - "греческий огонь", изготавливаемый на основе нефти.

1264 год. Итальянский путешественник Марко Поло, проезжавший по территории современного Азербайджана, сообщил, что местные жители собирали нефть, просачивающуюся из земли. Примерно в это же время отмечено начало торговли нефтью.

Примерно 1500 год. В Польше впервые стали использовать нефть для освещения улиц. Нефть поступала из района Карпат.

1848 год. Первая в мире нефтяная скважина современного типа пробурена на Апшеронском полуострове неподалеку от Баку.

1849 год. Канадский геолог Абрахам Геснер впервые получил керосин.

1858 год. Нефть начали добывать в Северной Америке (Канада, провинция Онтарио).

1859 год. Начало нефтедобычи в США. Первая скважина (глубиной 21 метр) пробурена в штате Пеннсильвания. Она позволяла добывать 15 баррелей нефти в день.

1962 год. Появление новой единицы объема, которой измерялось количество нефти - "баррель", "бочка". Нефть тогда перевозили в бочках - железнодорожные цистерны и танкеры еще не были изобретены. Баррель нефти равен 42 галлонам (в одном галлоне примерно 4 литра). Этот объем нефтяной бочки равен официально признанному в Великобритании объему бочки для перевозки селедки (соответствующий указ в 1492 году подписал король Эдуард Четвертый). Для сравнения, "винный баррель" равен 31,5 галлонам, "пивной баррель" - 36 галлонам.

1877 год. Россия впервые в мире начинает использовать танкеры для доставки нефти из бакинских месторождений в Астрахань. Примерно в том же году (данные из различных источников расходятся) в США построена первая железнодорожная цистерна для перевозки нефти.

1886 год. Германские инженеры Карл Бенц и Вильгельм Даймлер создали автомобиль, работавший на бензиновом двигателе. Ранее бензин был лишь побочным продуктом, образовавшимся при изготовлении керосина.

1890 год. Германский инженер Рудольф Дизель изобрел дизельный двигатель, способный работать на побочных продуктах переработки нефти. Ныне индустриально развитые страны мира активно ограничивают использование дизельных моторов, которые наносят значительный ущерб окружающей среде.

1896 год. Изобретатель Генри Форд создал свой первый автомобиль. Через несколько лет он впервые в мире стал применять конвейерный метод сборки, что значительно снизило стоимость автомобилей. Это стало началом эры массовой автомобилизации. В 1916 году в США было 3,4 млн. автомобилей, через три года их количество увеличилось до 23.1 млн. За это же время среднестатистический автомобиль стал проезжать вдвое большее расстояние за год. Развитие автомобилестроения привело к бурному росту числа автозаправочных станций. Если в 1921 году в США было 12 тыс. АЗС, то в 1929 - 143 тыс. Нефть стала рассматриваться, прежде всего, как сырье для производства бензина.

1904 год. Крупнейшими странами-производителями нефти стали США, Россия, современная Индонезия, Австро-Венгрия, Румыния и Индия.

1905 год. В Баку (Азербайджан, тогда Российская Империя) случился первый в мировой истории масштабный пожар не нефтяных приисках.

1907 год. Британская компания Shell и голландская Royal Dutch слились в Royal Dutch Shell

1908 год. Открыты первые нефтяные месторождения в Иране. Для их эксплуатации создана Англо-Персидская Нефтяная Компания Anglo Persian Oil, позднее ставшая компанией British Petroleum.

1914- 1918 годы. Первая Мировая война. Впервые война велась, в том числе, и для получения контроля за месторождениями нефти.

1918 год. Впервые в мире Советская Россия национализировала нефтяные компании.

1932 год. Месторождения нефти открыты в Бахрейне.

1938 год. Месторождения нефти открыты в Кувейте и Саудовской Аравии.

1951 год. Впервые в истории США нефть стала главным источником энергии, оттеснив уголь на второе место.

1956 год. Суэцкий кризис. После вторжения англо-французских войск в Египет мировые цены на нефть за короткое время выросли вдвое.

1956 год. Месторождения нефти открыты в Алжире и Нигерии.

1959 год. Первая попытка создать международную организацию поставщиков нефти. В Каире (Египет) прошел Арабский Нефтяной Конгресс, участники которого заключили джентльменское соглашение о совместной нефтяной политике, которая должна была увеличить влияние арабских государств в мире.

1960 год. В Багдаде (Ирак) образована Организация Государств-Экспортеров Нефти (ОПЕК)\OPEC. Ее основателями стали Иран, Ирак, Кувейт, Саудовская Аравия и Венесуэла. Ныне в состав ОПЕК входят 11 стран.

1967 год. Шестидневная Война между Израилем и коалицией арабских государств. Мировые цены на нефть выросли примерно на 20%.

1968 год. Открыты крупные нефтяные месторождения на территории Аляски.

1969 год. Первая крупная экологическая катастрофа, причиной которой стал разлив нефти. Причиной стала авария на нефтедобывающей платформе неподалеку от побережья Калифорнии.

1973 год. Первое нефтяное эмбарго. В канун еврейского праздника Йом Кипур войска Сирии и Египта, поддержанные СССР, атаковали Израиль. Израиль обратился за помощью к США, которые ответили на эту просьбу согласием. В ответ арабские страны-экспортеры нефти постановили ежемесячно снижать добычу нефти на 5% и полностью запретить экспорт нефти в страны, которые поддержали Израиль - США, Нидерланды, Португалию, ЮАР и Родезию (ныне Зимбабве).

В результате, мировые цены не нефть выросли с $2,90 до $11,65. В США автомобильный бензин подорожал в 4 раза. США ввели жесткие меры, направленные на экономию нефти. В частности, все АЗС не работали в воскресенье, одна заправка машины ограничивалась 10 галлонами (около 40 литров). США начали строить нефтепровод с Аляски. Европейские государства и США начали масштабные научные изыскания, призванные найти альтернативные источники энергии.

1986-1987 годы. "Танкерная война" между Ираком и Ираном - нападения авиации и военно-морских сил враждующих сторон на нефтепромыслы и танкеры. США создали международные силы по охране коммуникаций в Персидском заливе. Этим было положено начало постоянному присутствию ВМФ США в зоне Персидского залива

1988 год. Крупнейшая в истории авария на нефтяной платформе. Британская платформа в Северном Море Piper Alpha загорелась. В результате погибло 167 человек из 228, находящихся на ней.

1994 год. Создан первый автомобиль, использующий в качестве топлива водород - VW Hybrid.

1995 год. Компания General Motors продемонстрировала первый электромобиль - EV1.

1997 год. Компания Toyota создала первый массовый автомобиль, работающий на бензине и электричестве - Prius.

1998 год. Крупномасштабный экономический кризис в Азии. Мировые цены на нефть резко снизились. Причиной этого стала необычно теплая зима в Европе и Северной Америке, увеличение производства нефти в Ираке, потребление нефти странами Азии и ряд других факторов. Если в1996 году средняя цена барреля нефти составляла $20,29, в 1997 году - $18,68, то в 1998 году она упала до $11. Падение цен на нефть привело к крупнейшему финансовому кризису в России. Чтобы остановить падение цен страны ОПЕК уменьшили производство нефти.

Подписан 50-летний мораторий на разработку месторождений нефти в районе Антарктиды.

Крупные слияния нефтяных компаний: British Petroleum приобрела Amoco, а Exxon -компанию Mobil.

1999 год. Слияние крупнейших французских нефтяных компаний: Total Fina и Elf Aquitaine.

2002 год. В результате общенациональной забастовки Венесуэла резко уменьшила экспорт нефти. По данным Администрации Энергетической Информации\Energy Information Administration, в 2001 году главным поставщиком нефти в США была Саудовская Аравия. В 2002 году крупнейшим поставщиком нефти на рынок США стала Канада (1926 тыс. баррелей в день). В десятку крупнейших стран-поставщиков нефти в США ныне входят лишь две страны из Персидского залива - Саудовская Аравия (1 525 тыс. баррелей) и Ирак (449 тыс. баррелей). Большую часть нефти США получают из Канады (1926 тыс.), Мексики (1510 тыс.), Венесуэлы (1439 тыс.), Нигерии (591 тыс.), Великобритании (483 тыс.), Норвегии (393 тыс.), Анголы (327 тыс.) и Алжира (272 тыс.).

Начато строительство нефтепровода Баку-Джейхан.

Объединились крупнейшие нефтяные компании Conoco и Phillips.

У побережья Испании потерпел крушение танкер Prestige - в море вылилось вдвое больше топлива, чем в 1989 году (Exxon Valdez).

Начались массовые продажи автомобилей, работающих на альтернативном топливе.

2003 год. США начали войну в Ираке. British Petroleum приобрела 50% крупной российской нефтяной компании THK. Сенат США отверг предложение начать разработку нефти на территории крупнейшего заповедника на Аляске. Мировые цены на нефть значительно выросли (главные причины - война в Ираке, забастовка в Венесуэле, разрушительный ураган в Мексиканском заливе) и достигли примерно $30 за баррель.

2004 год. Цены на нефть достигли рекорда, превысив $40 за баррель. Главными факторами считаются проблемы США в Ираке и рост потребления нефтепродуктов в странах Азии, особенно в Китае, который впервые в истории стал импортировать нефть. В пятерку крупнейших мировых импортеров нефти в мире входят США, Япония, Южная Корея, Германия и Италия [16].



2. Понятие скважины. Назначение скважин

Скважина - это цилиндрическая горная выработка, у которой длина ствола гораздо больше, чем ее диаметр.

Рисунок 1 - Конструкция скважины: 1 - обсадные трубы; 2 - цементный камень; 3 - пласт; 4 - перфорация в обсадной трубе и цементном камне; I - направление; II - кондуктор; III - промежуточная колонна; IV - эксплуатационная колонна

Скважины можно классифицировать по назначению, профилю ствола и фильтра, степени совершенства и конструкции фильтра, количеству обсадных колонн, расположению на поверхности земли и т.д.

По степени совершенства выделяют скважины: сверхсовершенные, совершенные, несовершенные по степени вскрытия продуктивных пластов, несовершенные по характеру вскрытия продуктивных пластов.

По конструкции фильтра скважины классифицируют на: незакрепленные, закрепленные эксплуатационной колонной, закрепленные вставным щелевым или сетчатым фильтром, закрепленные гравийно-песчаным фильтром.

По количеству находящихся в скважине колонн выделяют скважины: одноколонные (только эксплуатационная колонна), многоколонные (двух-, трех-, N-колонные).

По расположению на поверхности земли скважины различают: расположенные на суше, шельфовые, морские.

По назначению различают скважины: опорные, параметрические, структурно-поисковые, разведочные, нефтяные, газовые, геотермальные, артезианские, нагнетательные, наблюдательные, специальные.

Назначение структурно поисковых скважин - установление (уточнение) тектоники, стратиграфии, литологии разреза пород, оценка возможных продуктивных горизонтов.

Разведочные скважины служат для выявления продуктивных пластов, а также для оконтуривания разрабатываемых нефтяных и газовых месторождений.

Добывающие (эксплуатационные) скважины предназначены для добычи нефти и газа из земных недр. К этой категории относят также нагнетательные, оценочные, наблюдательные и пьезометрические скважины.

Нагнетательные скважины необходимы для закачки в пласт воды, газа или пара с целью поддержания пластового давления или обработки призабойной зоны. Эти меры направлены на удлинение периода фонтанного способа добычи нефти или повышение эффективности добычи.

Назначение оценочных скважин - определение начальной водонефтенасыщенности остаточной нефтенасыщенности пласта и проведения иных исследований.

Контрольные и наблюдательные скважины служат для наблюдения за объектом разработки, исследования характера продвижения пластовых флюидов и изменения газонефтенасыщенности пласта.

Опорные скважины бурят для изучения геологического строения крупных регионов с целью установления общих закономерностей залегания горных пород и выявления возможностей образования в этих породах месторождений нефти и газа.

При поиске, разведке и разработке нефтяных и га-зовых месторождений бурят картировочные, сейсморазведочные, специальные и другие скважины.

В зависимости от геологических условий нефтяного месторождения бурят различные типы скважин. Нефтяная скважина может быть:

1) вертикальная;

2) наклонно-направленная;

3) горизонтальная;

4) многоствольная или многозабойная

Вертикальная скважина - это скважина, у которой угол отклонения ствола от вертикали не превышает 5°.

Если угол отклонения от вертикали больше 5°, то это уже наклонно-направленная скважина.

Горизонтальной скважиной (или горизонтальным стволом скважины) называют скважину, у которой угол отклонения ствола от вертикали составляет 80-90°. Но здесь есть один нюанс. Так как "в природе нет прямых линий" и продуктивные нефтенасыщенные пласты залегают в недрах земли, как правило, с некоторым наклоном, а часто с довольно крутым наклоном, то на практике получается, что нет никакого смысла бурить горизонтальную скважину под углом приблизительно равным 90°. Логичнее пробурить ствол скважины вдоль пласта по наиболее оптимальной траектории. Поэтому в более широком смысле, под горизонтальной скважиной понимают скважину, имеющую протяженную фильтровую зону - ствол, пробуренный преимущественно вдоль напластования целевого пласта в определенном азимутальном направлении.

Скважины с двумя и более стволами называют многоствольными (многозабойными).

Многоствольные скважины, также как и многозабойные, имеют основной ствол и один или несколько дополнительных. Ключевым отличием является расположение точки разветвления стволов. Если точка находится выше продуктивного горизонта, на который пробурена скважина, то скважину называют многоствольной (МСС). Если же точка разветвления стволов находится в пределах продуктивного горизонта, то скважину называют многозабойной (МЗС) [11].

Опорные скважины подразделяются на две группы:

К первой группе относят скважины, закладываемые в районах, не исследованных бурением, с целью всестороннего изучения разреза осадочных пород и установления возраста и вещественного состава фундамента.

Ко второй группе относят скважины, закладываемые в относительно изученных районах для всестороннего изучения нижней части разреза, ранее не вскрытой бурением, или для освещения отдельных принципиальных вопросов с целью уточнения геологического строения и перспектив нефтегазоносности района и повышения эффективности геологоразведочных работ на нефть и газ.



3. Физика нефтяного и газового пласта

3.1 Геолого-промысловая характеристика продуктивных пластов

Физика пласта -- наука, изучающая физические свойства пород нефтяных и газовых коллекторов; свойства пластовых жидкостей, газов и газоконденсатных смесей; методы их анализа, а также физические основы увеличения нефте- и газоотдачи пластов.

Эксплуатация нефтяных, газовых и газоконденсатных залежей связана с фильтрацией огромных масс жидкостей и газов в пористой среде к забоям скважин. От свойств пористых сред, пластовых жидкостей и газов зависят закономерности фильтрации нефти, газа и воды, дебиты скважин, продуктивность коллектора.

По мере эксплуатации залежей условия залегания нефти, воды и газа в пласте изменяются. Это сопровождается значительными изменениями свойств пород, пластовых жидкостей, газов и газоконденсатных смесей. Поэтому эти свойства рассматриваются в динамике -- в зависимости от изменения пластового давления, температуры и других условий в залежах.

Для определения характеристики нефтяного и газового пласта необходимо знать:

1) гранулометрический (механический) состав пород;

2) пористость;

3) проницаемость;

4) капиллярные свойства;

5) удельную поверхность;

6) механические свойства (упругость, пластичность, сопротивление разрыву, сжатию и другим видам деформаций);

7) насыщенность пород водой, нефтью и газом в различных условиях.

Гранулометрический состав горной породы характеризует количественное содержание в ней частиц различной крупности. От гранулометрического состава зависят коллекторские свойства пласта: пористость, проницаемость, удельная поверхность породы [13].

Способность пород вмещать воду, а также жидкие и газообразные углеводороды определяется их пористостью, т. е. наличием в них пустот (пор). Каналы, образуемые порами, можно условно разделить на три группы:

1) крупные (сверхкапиллярные) -- диаметром более 0,5 мм;

2) капиллярные -- от 0,5 до 0,0002 мм;

3) субкапиллярные -- менее 0,0002 мм.

Под проницаемостью горных пород понимают их способность пропускать через себя жидкости или газы. Проницаемость горных пород характеризуется коэффициентом проницаемости, входящим в формулу линейного закона фильтрации Дарси и имеющим размерность "метр в квадрате". Физический смысл этой размерности заключается в том, что проницаемость как бы характеризует размер площади сечения каналов пористой среды, по которым происходит фильтрация.

При разработке нефтяных и газовых месторождений в пористой среде одновременно движутся нефть, газ и вода или их смеси. В связи с этим проницаемость одной и той же пористой среды для одной фазы (жидкости или газа) будет изменяться в зависимости от соотношения компонентов в смеси. Поэтому для характеристики проницаемости нефтесодержащих пород введены понятия абсолютной, эффективной (фазовой) и относительной проницаемости.

Удельной поверхностью породы называется суммарная площадь поверхности частиц, приходящаяся на единицу объема образца. От величины удельной поверхности нефтеносных пород зависят их проницаемость, содержание остаточной (связанной) воды и нефти.

Упругость пласта -- это его способность изменять свой объем при изменении давления. До начала разработки продуктивный пласт находится под давлением, создаваемым весом вышележащих пород (горное давление), и противодействующим ему давлением пластовых флюидов (нефти, воды, газа), насыщающих пласт. При отборе нефти и газа пластовое давление снижается и под действием горного давления объем пласта и пор в нем уменьшается. Это приводит к дополнительному выталкиванию нефти и газа из пор.

Нефтенасыщенность (газо- или водонасыщенность) характеризует запасы нефти (газа или воды) в пласте. Количественно ее оценивают величиной коэффициента нефтенасыщенности (газо- или водонасыщенности), который находится как доля объема пор, заполненных нефтью (газом или водой).

3.2 Физические свойства пластовых флюидов

Высокие давление и температура в пласте сказываются на свойствах находящихся в нем нефти (конденсата), газа и воды.

Прежде всего, в зависимости от термодинамических условий в замкнутом пространстве пласта происходит изменение соотношения объемов жидкой и газовой фаз.

В газонефтяных месторождениях под действием высокого давления часть газа растворена в нефти и пластовой воде. Количество газа, растворенного в нефти, характеризуется величиной газового фактора, под которым понимается объем газа, выделяющегося из пластовой нефти при снижении давления до атмосферного, отнесенный к 1 м³ или 1 т дегазированной нефти. Для подсчета запасов газаразгазирование производят при стандартных условиях, а для прогнозирования фазовой проницаемости - при пластовой температуре. В области высоких давлений растворимость газов линейно зависит от избыточного давления. При одинаковых условиях растворимость углеводородных газов в нефти в несколько раз больше, чем в воде (рис. 2).



Рисунок 2 - Зависимость растворимости нефтяного газа от давления и температуры: а) в нефти плотностью 865 кг/м³; б) в пресной (1,2) и соленой (3,4) воде.

Давление, ниже которого начинается выделение растворенного в нефти газа, называется давлением насыщения. Его определяют по моменту появления первых газовых пузырьков в однородной до этого жидкой фазе.

Основными параметрами нефти, конденсата, газа и воды в пластовых условиях являются вязкость, плотность и параметры, которые влияют на изменение объема фаз -- сжимаемость, объемный коэффициент.

Вязкость -- это свойство жидкости или газа оказывать сопротивление перемещению одних ее (его) частиц относительно других.

Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость. Динамическую вязкость определяют на основе обработки кривых течения сред. Кинематическая вязкость -- отношение динамической вязкости жидкости (газа) к ее (его) плотности. Условная вязкость -- отношение времени истечения из вискозиметра определенного объема жидкости ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20°С.

Вязкость пластовой нефти существенно отличается от вязкости поверхностной (дегазированной) нефти, поскольку она содержит растворенный газ и находится в условиях повышенных давлений и температур. Типичный характер зависимости вязкости пластовой нефти от давления в пласте показан на рис. 3. С увеличением давления сверх атмосферного вязкость пластовой нефти сначала уменьшается по экспоненциальному закону, а затем увеличивается в соответствии с уравнением прямой. Такое изменение вязкости обусловлено следующим. На первом участке с увеличением пластового давления увеличивается количество растворенного в нефти газа, что и приводит к уменьшению вязкости нефти, несмотря на некоторое ее сжатие. Минимальная величина вязкости имеет место, когда давление в пласте становится равным пластовому давлению насыщения -- максимально возможному давлению, при котором для смеси заданного состава возможно установление полного фазового равновесия в условиях пласта. Последующий рост вязкости при дальнейшем увеличении давления обусловлен тем, что количество растворенного в нефти газа больше не увеличивается, а она продолжает сжиматься.

Рисунок 3- Характер зависимости вязкости пластовой нефти от давления и от температуры.

Характер изменения вязкости пластовой воды аналогичен.

Вязкость газа при изменении давления и температуры изменяется неоднозначно. При низких давлениях (до 10 МПа) с повышением температуры вязкость газов возрастает, что объясняется увеличением числа столкновений их молекул. При высоких давлениях газ настолько уплотнен, что определяющее влияние на его вязкость, как и у жидкостей, оказывают силы межмолекулярного притяжения, которые с ростом температуры ослабляются и, соответственно, вязкость газа уменьшается.

Плотность нефти в пластовых условиях зависит от состава нефти, состава и количества растворенного газа, температуры и давления. Изменяется она аналогично вязкости.

На плотность пластовых вод, кроме давления, температуры и растворенного газа, сильно влияет их минерализация. Плотность пластовых вод увеличивается пропорционально росту концентрации солей.

Нефть и вода обладают свойством уменьшать свой объем под действием возрастающего давления. Упругие свойства этих жидкостей характеризуются величиной коэффициента сжимаемости, который определяется как отношение изменения объема жидкости к произведению ее первоначального объема на изменение давлениz [10].



4. Разработка нефтяных и газовых месторождений

4.1 Понятие о нефтяной и газовой залежи

Нефтяные и нефтегазовые месторождения - это скопления углеводородов в земной коре, приуроченные к одной или нескольким локализованным геологическим структурам, т.е. структурам, находящимся вблизи одного и того же географического пункта.

Залежью называется естественное локальное единичное скопление нефти в одном или нескольких сообщающихся между собой пластах-коллекторах, т. е. в горных породах, способных вмещать в себе и отдавать при разработке нефть.

Залежи углеводородов, входящие в месторождения, обычно находятся в пластах или массивах горных пород, имеющих различное распространение под землей, часто - различные геолого-физические свойства. Во многих случаях отдельные нефтегазоносные пласты разделены значительными толщами непроницаемых пород или находятся только на отдельных участках месторождения. Такие обособленные или отличающиеся по свойствам пласты разрабатывают различными группами скважин, иногда при этом используют различную технологию.

Места скопления природного газа в свободном состоянии в порах и трещинах горных пород называются газовыми залежами. Если газовая залежь является рентабельной для разработки, т.е. когда сумма затрат на добычу, транспорт и использование газа меньше полученного экономического эффекта от его применения, то она называется промышленной.

Газовым месторождением обычно называют одну залежь или группу залежей, расположенных на одной территории.

Размер и многопластовость месторождений с емкостными свойствами коллекторов определяют в целом величину и плотность запасов нефти, а в сочетании с глубиной залегания oбycловливают выбор системы разработки и способов добычи нефти.

Системой разработки месторождения следует называть совокупность взаимосвязанных инженерных решений, определяющих объекты разработки; последовательность и темп их разбуривания и обустройства; наличие воздействия на пласты, с целью извлечения из них нефти и газа; число, соотношение и расположение нагнетательных и добывающих скважин; число

резервных скважин, управление разработкой месторождения, охрану недр и окружающей среды. Построить систему разработки месторождения означает найти и осуществить указанную выше совокупность инженерных решений.

Объект разработки - это искусственно выделенное в пределах разрабатываемого месторождения геологическое образование (пласт, массив, структура, совокупность пластов), содержащее промышленные запасы углеводородов, извлечение которых из недр осуществляется при помощи определенной группы скважин или других горнотехнических сооружений [12].

4.2 Режимы работы залежей

В зависимости от источника пластовой энергии, обуславливающего перемещение нефти по пласту к скважинам, различают пять основных режимов работы залежей (рис. 4):

1) жестководонапорный;

2) упруговодонапорный;

3) газонапорный;

4) растворенного газа;

5) гравитационный.



Рисунок 4 - Типы режимов нефтяного пласта: а) жестководонапорный; б)газонапорный; в) растворенного газа; г) гравитационный.

При жестководонапорном режиме источником энергии является напор краевых (или подошвенных) вод. Ее запасы постоянно пополняются за счет атмосферных осадков и источников поверхностных водоемов. Отличительной особенностью жестководонапорного режима является то, что поступающая в пласт вода полностью замещает отбираемую нефть. Контур нефтеносности при этом непрерывно перемещается и сокращается.

Эксплуатация нефтяных скважин прекращается, когда краевые воды достигают забоя тех из них, которые находятся в наиболее высоких частях пласта, и вместо нефти начинает добываться только вода.

На практике всегда есть еще один промежуточный этап разработки нефтяных месторождений, когда одновременно с нефтью добывается вода. Это связано с тем, что из-за неоднородности пласта по проницаемости и сравнительно высокой вязкости нефти в пластовых условиях по отношению к вязкости пластовой воды происходит прорыв краевых и подошвенных вод к забою скважин.

При жестководонапорном режиме работы нефтяной залежи обеспечивается самый высокий коэффициент нефтеотдачи пластов, равный 0,5-0,8.

При жестководонапорном режиме давление в пласте настолько велико, что скважины фонтанируют. Но отбор нефти и газа не следует производить слишком быстро, поскольку иначе темп притока воды будет отставать от темпа отбора нефти и давление в пласте будет падать, фонтанирование прекратится [4].

При упруговодонапорном режиме основным источником пластовой энергии служат упругие силы воды, нефти и самих пород, сжатых в недрах под действием горного давления. При данном режиме по мере извлечения нефти давление в пласте постепенно снижается. Соответственно уменьшается и дебит скважин.

Отличительной особенностью этого режима является то, что водоносная часть пласта значительно больше нефтеносной (границы водоносной части отстоят от контура нефтеносности на 100 км и более). Хотя расширение породы и жидкости при уменьшении давления в пласте, отнесенное к единице объема, незначительно, при огромных объемах залежи и питающей ее водонапорной системы таким образом можно извлечь до 15% нефти от промышленных запасов.

Коэффициент нефтеотдачи при упруговодонапорном режиме также может достигать 0,8.

При газонапорном режиме источником энергии для вытеснения нефти является давление газа, сжатого в газовой шапке. Чем больше ее размер, тем дольше снижается давление в ней.

В месторождениях, работающих в газонапорном режиме, процесс вытеснения нефти расширяющимся газом обычно сопровождается гравитационными эффектами. Газ, выделяющийся из нефти, мигрирует вверх, пополняя газовую шапку и оттесняя нефть в пониженную часть залежи. По мере понижения уровня газонефтяного контакта происходит прорыв газа к нефтяным скважинам, находящимся ближе к контуру газоносности, и их эксплуатация прекращается, т. к. в противном случае расходование энергии расширения газа газовой шапки будет нерациональным.

Коэффициент нефтеотдачи пласта при газонапорном режиме составляет 0,4-0,6.

При режиме растворенного газа основным источником пластовой энергии является давление газа, растворенного в нефти. По мере понижения пластового давления газ из растворенного состояния переходит в свободное. Расширяясь пузырьки газа выталкивают нефть к забоям скважин.

Коэффициент нефтеотдачи при режиме растворенного газа самый низкий и составляет 0,15-0,3. Причина этого в том, что запас энергии газа часто полностью истощается намного раньше, чем успевают отобрать значительные объемы нефти.

Гравитационный режим имеет место в тех случаях, когда давление в нефтяном пласте снизилось до атмосферного, а имеющаяся в нем нефть не содержит растворенного газа. При этом режиме нефть стекает в скважину под действием силы тяжести, а оттуда она откачивается механизированным способом.

4.3 Стадии разработки месторождений

Стадия разработки - это период процесса разработки, характеризующийся определенным закономерным изменением технологических и технико-экономических показателей. Под технологическими и технико-экономическими показателями процесса разработки залежи понимают текущую (среднегодовую) и суммарную (накопленную) добычу нефти, текущую и суммарную добычу жидкости (нефти и воды), обводненность добываемой жидкости (отношение текущей добычи воды к текущей добыче жидкости), текущий и накопленный водонефтяной фактор (отношение добычи воды к добыче нефти), текущую и накопленную закачку воды, компенсацию отбора закачкой (отношение закачанного объема к отобранному припластовых условиях), коэффициент нефтеотдачи, число скважин (добывающих, нагнетательных), пластовое и забойное давления, текущий газовый фактор, средние дебит добывающих и приемистость нагнетательных скважин, себестоимость продукции, производительность труда, капитальные вложения, эксплуатационные расходы, приведенные затраты и др.

По динамике добычи нефти выделяют четыре стадии процесса разработки залежей пластового типа в гранулярных коллекторах при водонапорном режиме [15].

Первая стадия - освоение эксплуатационного объекта - характеризуется:

1) интенсивным ростом добычи нефти до максимально заданного уровня (прирост составляет примерно 1-2% в год от балансовых запасов);

2) быстрым увеличением действующего фонда скважин до 0,6-0,8 от максимального;

3) резким снижением пластового давления;

4) небольшой обводненностью продукции (обводненность продукции достигает 3-4% при вязкости нефти не более 5 мПас и 35% при повышенной вязкости);

5) достигнутым текущим коэффициентом нефтеотдачи (около 10%).

Продолжительность стадии зависит от промышленной ценности залежи и составляет 4-5 лет, за окончание стадии принимается точка резкого перегиба кривой темпа добычи нефти (отношение среднегодового отбора нефти к балансовым ее запасам).

Вторая стадия - поддержание высокого уровня добычи нефти - характеризуется:

1) более или менее стабильным высоким уровнем добычи нефти (максимальный темп добычи нефти находится в пределах 3-17%) в течение 3-7 лет и более для месторождений с маловязкиминефтями и 1-2 года - при повышенной вязкости;

2) ростом числа скважин, как правило, до максимума за счет резервного фонда;

3) нарастанием обводненности продукции (ежегодный рост обводненности составляет 2-3% при малой вязкости нефти и 7% и более при повышенной вязкости, на конец стадии обводненность колеблется от нескольких до 65%);

4) отключением небольшой части скважин из-за обводнения и переводом многих на механизированный способ добычи нефти;

5) текущим коэффициентом нефтеотдачи, составляющим к концу стадии 30-50%, а для месторождений с "пиком" добычи - 10-15%.

Совместно первую, вторую и третью стадии называют основным периодом разработки. За основной период отбирают из залежей 80-90% извлекаемых запасов нефти.

Третья стадия - значительное снижение добычи нефти - характеризуется:

1) снижением добычи нефти (в среднем на 10-20% в год при маловязкихнефтях и на 3-10% при нефтях повышенной вязкости);

2) темпом отбора нефти на конец стадии 12,5%;

3) уменьшением фонда скважин из-за отключения вследствие обводнения продукции, переводом практически всего фонда скважин на механизированный способ добычи;

4) прогрессирующим обводнением продукции до 80-85% при среднем росте обводненности 78% в год, причем с большей интенсивностью для месторождений с нефтями повышенной вязкости;

5) повышением текущих коэффициентов нефтеотдачи на конец стадии до 50-60% для месторождений с вязкостью нефти не более 5 мПас и до 20-30% для месторождений с нефтями повышенной вязкости;

6) суммарным отбором жидкости 0,5-1 объема от балансовых запасов нефти.

Эта стадия наиболее трудная и сложная для всего процесса разработки, ее главная задача - замедление темпа снижения добычи нефти. Продолжительность стадии зависит от продолжительности предыдущих стадий и составляет 5-10 и более лет. Определить границу между третьей и четвертой стадиями по изменению среднегодового темпа добычи нефти обычно трудно. Наиболее четко ее можно определить по точке перегиба кривой обводненности.

Четвертая стадия - завершающая - характеризуется:

1) малыми, медленно снижающимися темпами отбора нефти (в среднем около 1%);

2) большими темпами отбора жидкости (водонефтяные факторы достигают 0,7-7 м³/м³);

3) высокой медленно возрастающей обводненностью продукции (ежегодный рост составляет около 1%);

4) более резким, чем на третьей стадии, уменьшением действующего фонда скважин из-за обводнения (фонд скважин составляет примерно 0,4-0,7 от максимального, снижаясь иногда до 0,1);

5) отбором за период стадии 10-20% балансовых запасов нефти.

Продолжительность четвертой стадии сопоставима с длительностью всего предшествующего периода разработки залежи, составляет 15-20 лет и более, определяется пределом экономической рентабельности, т. е. минимальным дебитом, при котором еще рентабельна эксплуатация скважин. Предел рентабельности обычно наступает при обводненности продукции примерно на 98%.



5. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин

Способ эксплуатации скважин - это способ подъёма жидкости в стволе скважины.

В нефтяных скважинах существуют следующие способы:

1) Фонтанный;

2) Газлифтный;

3) Глубиннонасосный.

5.1 Фонтанный способ эксплуатации

Способ эксплуатации скважин, при котором подъём нефти или смеси нефти с газом от забоя на поверхность осуществляется за счёт природной энергии, называется фонтанным.

Рисунок 5 - Пример фонтанной скважины



Рисунок 6 - Устьевая арматура фонтанной скважины

Если давление столба жидкости, заполняющей скважину, меньше пластового давления и призабойная зона незагрязнена (ствол скважины сообщается с пластом), то жидкость будет переливаться через устье скважины, т. е. скважина будет фонтанировать. Фонтанирование может происходить под влиянием:

1) гидростатического напора;

2) энергии расширяющегося газа;

3) или того и другого вместе.

Фонтанирование только за счёт гидростатического давления пласта - явление довольно редкое в практике эксплуатации нефтяных скважин. Это происходит тогда, когда в пластовой нефти содержится небольшое количество газа. При этом пластовое давление выше давления столба нефти, заполняющей скважину. Такой вид фонтанирования называется артезианским.

В большинстве случаев главную роль в фонтанировании скважин играет газ, содержащийся вместе с нефтью в пласте. При эксплуатации скважины, пробуренной на пласт, свободный газ из нефти начинает выделяться в подъемных трубах на такой глубине, где давление ниже давления насыщения нефти газом. В этом случае подъем нефти в скважине будет происходить за счет гидростатического напора и энергии сжатого газа, проявляющейся в верхней части скважины. Такой вид фонтанирования будет газлифтным.

На глубине, соответствующей давлению насыщения нефти газом, он начинает выделяться из нефти в виде мельчайших пузырьков. По мере продвижения вверх пузырьки газа испытывают все меньшее давление, в результате чего объем пузырьков газа увеличивается, и плотность смеси жидкости и газа уменьшается. Общее давление столба газожидкостной смеси на забой скважины становится меньше пластового, что вызывает самоизлив нефти, т. е. фонтанирование скважины [1].

В добывающих скважинах на поток газожидкостной смеси влияют размеры насосно-компрессорных труб (HKТ). При малой газонасыщенности пузырьки газа находятся на некотором расстоянии друг от друга (пузырьковая структура, рис. 7а). Их формы и размеры определяются соотношениями между силами сопротивления и поверхностного натяжения. Относительная скорость при этой структуре не превышает 10-20 см/с.

С ростом газонасыщенности при определенных свойствах газа и жидкости происходит слияние пузырьков. В этом случае диаметр их практически равен диаметру труб и развивается четочная (пробковая) структура (рис. 7б). Относительная скорость газа достигает 50-100 см/с.

При дальнейшем увеличении газонасыщенности пузырьки сливаются и образуется кольцевая структура или структура тумана (рис. 7 в). Часть жидкости переносится потоком газа в виде капель, часть движется вдоль стенки трубы, увлекаемая газом за счет сил трения.

Различают два вида газонасыщенности: расходную в -отношение объемного расхода газа к расходу смеси при данных термодинамических условиях и истинную ц - это отношение средней площади трубы, занятой газом, к площади сечения трубы. Если бы газ и жидкость двигались с одинаковой скоростью, то ц была бы равна в.

В восходящем потоке смеси газ движется с большей скоростью, поэтому ц < в и тем меньше, чем больше относительная скорость. Действительно, газ при одинаковом расходе, двигаясь с большей скоростью, занимает меньшую площадь сечения трубы. С ростом относительной скорости уменьшается содержание газа в смеси, а это ведет к увеличению ее плотности.

Рисунок 7 - Структура газожидкостной смеси при движении в НКТ

5.2 Газлифтный способ эксплуатации

Логическим продолжением фонтанной эксплуатации является газлифтная эксплуатация, при которой недостающее количество газа для подъема жидкости закачивают в скважину с поверхности.

Способ эксплуатации нефтяных скважин, при котором подъем жидкости из пласта на поверхность осуществляется сжатым газом, нагнетаемым в колонну подъемных труб через башмак или через клапаны, называется газлифтным.

Для подъема жидкости сжатым газом в скважине необходимы два канала:

1) для подачи газа;

2) для подъема на поверхность жидкости.

Если под уровень жидкости, находящейся в каком-либо сосуде, опустить систему соединенных между собой трубок (рис. 8) и в трубку 1 нагнетать газ (воздух), то жидкость в ней под действием давления газа будет оттесняться вниз, перетекая в сосуд и в трубку 2.

При достижении места соединения трубок газ в виде мельчайших пузырьков будет поступать в трубку 2 и устремляться вверх. Во время движения вверх пузырьки воздуха увеличиваются в объеме и увлекают за собой жидкость, находящуюся в трубке 2.

Рисунок 8 - Модель газлифтного подъемника

Газлифт характеризуется высокой технико-экономической эффективностью, отсутствием в скважинах механизмов и трущихся деталей, простотой обслуживания скважин и регулирования работы [5].

Достоинства газлифтного метода:

1) отсутствие подвижных и быстроизнашивающихся деталей (что позволяет эксплуатировать скважины с высоким содержанием песка);

2) расположение технологического оборудования на поверхности (облегчает его наблюдение, ремонт);

3) обеспечение возможности отбора из скважин больших объемов жидкости (до 1800 ч 1900 м3/сут);

4) возможность эксплуатации нефтяных скважин при сильном обводнении и простота регулирования дебита скважин.

Недостатки газлифтного метода:

1) большие капитальные затраты;

2) низкий КПД;

3) повышенный расход НКТ, особенно при применении двухрядных подъемников;

4) быстрое увеличение расхода энергии на подъем 1 т нефти по мере снижения дебита скважин с течением времени эксплуатации.

5.3 Глубиннонасосный способ эксплуатации

5.3.1 Эксплуатация скважин штанговыми насосами

В скважине устанавливают плунжерный (поршневой) насос, который приводится в действие поверхностным приводом посредством колонны штанг. Штанговая глубинная насосная установка (рис. 9) состоит из скважинного насоса (вставного или невставного типов), насосных штанг насосно-компрессорных труб, подвешенных на планшайбе или в трубной подвеске, сальникового уплотнения, сальникового (полированного) штока, станка-качалки, фундамента и тройника (устьевой арматуры). На приеме скважинного насоса устанавливается защитное приспособление в виде газового или песочного фильтра.

Недостатками штанговых насосов является ограниченность глубины их подвески и малая подача нефти из скважин. Колонна насосно-компрессорных труб, по которой жидкость от насоса поднимается на поверхность, заканчивается на устье тройником 3. Сальниковое устройство в верхней части тройника предназначено для предотвращения утечек жидкости вдоль движущегося сальникового (полированного) штока. По боковому отводу в средней части тройника жидкость из скважины направляется в выкидную линию. Возвратно-поступательное движение колонне насосных штанг передается от электродвигателя 8 через редуктор 7 и кривошипно-шатунный механизм станка-качалки.

При движении плунжера вверх всасывающий клапан 13 под давлением жидкости открывается, в результате чего жидкость поступает в цилиндр насоса. Нагнетательный клапан 10 в это время закрыт, т. к. на него действует давление столба жидкости, заполнившей насосные трубы.

При движении плунжера 12 вниз всасывающий клапан 13 под давлением жидкости, находящейся под плунжером, закрывается, а нагнетательный клапан 10 открывается и жидкость из цилиндра переходит в пространство над плунжером.

Рисунок 9 - Схема установки штангового скважинного насоса

5.3.2 Эксплуатация скважин погружными электроцентробежными насосами

На заключительной стадии эксплуатации вместе с нефтью из скважин поступает большое количество пластовой воды, применение штанговых насосов становится малоэффективным. Этих недостатков лишены установки погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН).



Рисунок 10 -- Общая схема оборудования скважины установкой погружного центробежного насоса: 1 - электродвигатель ПЭД; 2 - звено гидрозащиты или протектор; 3 - приемная сетку насоса для забора жидкости; 4 - многоступенчатый центробежный насос ПЦЭН; 5 - НКТ; 6 - бронированный трехжильный электрокабель; 7 - пояски для крепления кабеля к НКТ; 8 - устьевая арматура; 9 - барабан для намотки кабеля при спуско-подъемных работах и хранения некоторого запаса кабеля; 10 - трансформатор или автотрансформатор; 11 - станция управления с автоматикой; 12 - компенсатор.

Погружные центробежные электронасосы - это многоступенчатые центробежные насосы с числом ступеней в одном блоке до 120, приводимые во вращение погружным электродвигателем специальной конструкции). Электродвигатель питается с поверхности электроэнергией, подводимой по кабелю от повышающего автотрансформатора или трансформатора через станцию управления, в которой сосредоточена вся контрольно-измерительная аппаратура и автоматика. Погружные центробежные электронасосы опускаются в скважину под расчетный динамический уровень обычно на 150 - 300 м. Жидкость подается по НКТ, к внешней стороне которых прикреплен специальными поясками электрокабель. В насосном агрегате между самим насосом и электродвигателем имеется промежуточное звено, называемое протектором или гидрозащитой [9].

5.3.3 Эксплуатация скважин винтовыми насосами

Винтовой насос - это насос объемного действия, подача которого прямопропорциональна 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.

Рабочими органами винтового насоса являются однозаходные стальные винты и резинометаллические обоймы, внутренняя полость которых представляет собой двухзаходную винтовую поверхность с шагом, в 2 раза большим шага винта.

Прием жидкости из скважины ведется через фильтровые сетки.

Нагнетаемая жидкость поступает в полость между винтами и за обоймой проходит в подъемные трубы.

Винт, вращаясь в обойме, совершает сложное планетарное движение. За один оборот винта замкнутые полости, имеющие винтообразную форму, перемещаются с заключенной в них жидкостью на один шаг обоймы в осевом направлении в сторону нагнетания. При вращении винта непрерывно открываются и замыкаются полости, образуемые винтом и обоймой. При этом сумма заполненных жидкостью выходных площадей поперечного сечения винта с обоймой остается постоянной и поток жидкости всегда непрерывен и пропорционален частоте вращения винта. Жидкость перекачивается практически без пульсации, не создавая стойкой эмульсии из нефти с водой.

Характерная особенность винтовых насосов - значительное улучшение параметров с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости. Поэтому наиболее эффективны эти насосы при добыче вязкой и высоковязкой нефти.

Одним из достоинств погружного винтового насоса является то, что он обеспечивает стабильные параметры при добыче нефти с высоким газовым фактором и даже попадание свободного газа на прием насоса не приводит к срыву подачи [3].

5.3.4 Эксплуатация скважин гидропоршневыми насосными установками

Установки гидропоршневых насосов - блочные автоматизированные, предназначены для добычи нефти из 2-8 глубоких кустовых наклонно направленных скважин в заболоченных и труднодоступных районах.

Преимущество гидропоршневых насосов - возможность автоматизации и дистанционного управления спуско - подъемных работ при замене насоса.

Недостатки их связаны с необходимостью обустройства промысла громоздкой системой снабжения скважин рабочей жидкостью при тщательной ее очистке, которая требуется для успешной работы гидравлического двигателя. В качестве рабочей жидкости используется очищенная дегазированная нефть.

5.4 Эксплуатация газовых скважин

Конструкция и оборудование газовых и газоконденсатных скважин имеют много общего с нефтяными скважинами, которые эксплуатируются фонтанным способом. В обоих случаях оборудование скважин состоит из колонны подъемных труб, спускаемых до фильтровой зоны, и устьевой фонтанной арматуры.

Вместе с тем имеются определенные отличия газовых и нефтяных скважин, обусловленные отличиями свойств нефти и газа.

1) Плотность и вязкость газа в сотни и тысячи раз меньше плотности и вязкости нефти.

2) Скорость движения газа в стволе скважины в 5 - 25 раз больше, чем скорость нефти. Давление на устье газовой скважины почти не отличается от забойного давления и является весьма высоким.

3) Добыча газа происходит только фонтанным способом.