§ 2. Режимы дренирования нефтяных и газовых залежей

Наличие тех или иных видов пластовой энергии и характер их проявления в процессе разработки нефтяной или газовой залежи определяют режим дренирования залежи (чаще его называют режим залежи).

Принято давать название режиму по преобладанию в рассматриваемый период времени главной движущей силы.

Большая часть нефтяных залежей обладает так называемым водонапорным режимом, при котором движение нефти в пласте к скважинам осуществляется под действием наступающей краевой (контурной) воды. В идеальном случае при этом режиме нефтяная залежь постоянно пополняется водой из поверхностных источников, в количествах, равных или несколько меньших количества отбираемой из залежи нефти. Источниками питания такой водонапорной системы могут быть атмосферные осадки, различные водоемы, ледниковые воды.

По мере извлечения нефти из залежи освобождающееся поровое пространство в ней будет заполняться наступающей краевой водой и водонефтяной контакт (граница нефти с водой) будет непрерывно передвигаться по направлению к скважине. Если количество поступающей в пласт с поверхности воды будет равно количеству извлекаемой из скважины нефти, производительность скважины и давление в пласте будут оставаться в процессе эксплуатации постоянными. Если же из пласта больше будет извлекаться нефти, чем поступать в него жидкости, то давление в пласте и производительность скважины будут постепенно снижаться. Это также наблюдается, когда нефтяная залежь не имеет сообщения с дневной поверхностью и, следовательно, не получает пополнения энергии извне.

При водонапорном режиме эксплуатация залежи прекращается, когда наступающая контурная вода достигает скважин и вместо нефти из пласта будет извлекаться только вода.

Однако полного вытеснения нефти замещающей ее водой никогда не происходит. Дело в том, что нефть и вытесняющая ее вода движутся в пористом пласте одновременно. В процессе замещения нефти вода, имеющая обычно меньшую вязкость, будет неизбежно опережать нефть. По мере эксплуатации количество воды в общем объеме добываемой пластовой жидкости будет постоянно увеличиваться. Нефть уже не вытесняется из пор, а скорее увлекается струей воды.

Чем больше вязкость нефти, тем на большее расстояние от начального водонефтяного контакта может распространяться процесс параллельного движения воды и нефти при постепенном возрастании содержания воды в потоке. И даже в том случае, если из скважины будет извлекаться чистая вода, в порах породы все же останется неизвлеченным то или иное количество нефти.

Показателем эффективности разработки нефтяной залежи служит так называемый коэффициент нефтеотдачи — отношение извлеченного из залежи количества нефти к начальным ее запасам.

Практикой установлено, что коэффициент нефтеотдачи для залежей нефти с водонапорным режимом может быть равным 0,5—0,8, т. е. из залежи возможно извлечь 50—80% общего количества нефти, имевшейся в ней до начала эксплуатации.

При больших размерах системы, питающей нефтяную залежь водой, даже в случае, если эта система не сообщается с поверхностью земли, в начальный период эксплуатации пластовая энергия выражается в виде упругого расширения пластовой жидкости и вмещающей ее породы при снижении давления в пласте. Объем воды при снижении давления на 1 МПа увеличивается в пределах 1/2000—1/2500 первоначального объема. Объем нефти при снижении давления на 1 МПа в зависимости от газонасыщенности увеличивается от 1/70 до 1/1400 первоначального объема, а объем породы при изменении давления на 1 МПа—от 1/10000 до 1/50000 своей величины.

Со снижением давления в залежи вода и нефть расширяются в объеме, а поровые каналы сужаются, вода в пласте занимает место нефти, вытесняемой в скважины. Несмотря на то, что упругое расширение пластовой водонапорной системы при снижении давления в пласте ничтожно мало, все же это явление играет большую роль при эксплуатации нефтяных месторождений, так как здесь в процессе принимают участие колоссальные объемы воды, окружающей и подпирающей нефтяную залежь. В некоторых случаях за счет упругой энергии из пласта можно извлечь значительное количество нефти.

Режим работы нефтяного пласта, при котором основной движущей силой является упругое расширение породы и жидкостей, заключенных в ней, называется упруговодонапорным (упругим) режимом.

В залежи нефти с упругим режимом активного продвижения контурных вод с полным замещением освободившихся от нефти пор не наблюдается, пластовое давление быстро падает и с течением времени режим работы залежи может перейти в газовый. В таких залежах обычно применяют искусственные мероприятия по поддержанию пластового давления путем закачки в пласт воды.

Наряду с напором пластовых вод и силами упругости пластовых водонапорных систем все нефтяные и газовые залежи обладают тем или иным запасом энергии газа, находящегося в пласте в свободном состоянии в виде газовой шапки или же растворенного в нефти. В нефтяных залежах с газовой шапкой значительного объема действуют силы, вызываемые напором и расширением сжатого газа. Давление газа в газовой шапке передается на зеркало газонефтяного контакта, а следовательно, и на весь объем нефти в залежи. При отборе нефти из залежи пластовое давление снижается, газовая шапка расширяется и, подобно поршню, вытесняет нефть в нижнюю часть залежи.

Режим работы пласта, при котором преобладающим видом энергии является энергия свободного газа, заключенного в газовой шапке, называется газонапорным.

Процесс вытеснения нефти газом аналогичен процессу вытеснения нефти водой с той только разницей, что вода вытесняет нефть в повышенные части залежи, а газ, наоборот, в пониженные.

Объем газа, находящегося под давлением в газовой шапке, всегда неизмеримо меньше объема водонапорной системы, окружающей нефтяную залежь, поэтому запас энергии здесь всегда ограничен. Кроме того, вязкость газа весьма мала по сравнению с вязкостью нефти, и в процессе вытеснения нефти и расширения газа в газовой шапке он будет прорываться к скважинам, расположенным недалеко от газонефтяного контакта. Прорыв же газа в скважины будет способствовать бесполезному расходу газовой энергии при одновременном уменьшении притока нефти.

Для увеличения коэффициента нефтеотдачи залежи с газонапорным режимом в повышенную ее часть следует нагнетать с поверхности газ, что позволит поддержать, а иногда восстановить пластовую энергию.

Газовый режим (режим растворенного газа) характерен для залежей с пологим падением пластов при отсутствии свободного газа и без напора краевой воды.

Высокий темп отбора жидкости даже при наличии в залежи краевых вод или газовой шапки также способствует проявлению газового режима, так как в этом случае вода или газ не успевают занять часть освобожденного нефтью объема и уже не играют роли активной напорной силы, оттесняющей нефть к скважинам.

Основной движущей силой при режиме, как уже говорилось, является газ, растворенный в нефти или рассеянный в виде мельчайших пузырьков в пласте вместе с нефтью. Со снижением давления в пласте газ начинает выделяться из нефти, отдельные пузырьки его расширяются в объеме и выталкивают нефть из порового пространства в зоны пониженного давления, т. е. к забоям эксплуатационных скважин.

Такой процесс вытеснения нефти при отсутствии других действующих в пласте сил характеризуется весьма малой эффективностью по следующим причинам: во-первых, количество газа в пласте, растворенного в нефти, ограничено; во-вторых, при снижении давления в залежи большие количества газа вхолостую проскальзывают к сважинам, не производя полезной работы по проталкиванию нефти. Это объясняется тем, что вязкость газа намного ниже вязкости нефти и пузырьки газа в своем движении к забоям скважин обгоняют капельки нефти.

Эффективность расходования пластовой энергии при газовых режимах характеризуется газовым фактором — количеством газа, приведенном к нормальным условиям, приходящимся на 1 т извлекаемой нефти.

В процессе эксплуатации нефтяной залежи, характеризующейся режимом растворенного газа, наблюдается непрерывное снижение пластового давления и увеличение газового фактора, что указывает на неэкономичное расходование пластовой энергии. Коэффициенты нефтеотдачи при этом режиме наиболее низкие и, как показывают экспериментальные данные, составляют 0,15—0,30,

Для восполнения пластовой энергии в нефтяных залежах, разрабатываемых на режиме растворенного газа, необходимо применять методы искусственного поддержания пластового давления путем закачки в залежь воды или газа.

Рассмотрим еще один источник пластовой энергии — силу тяжести.

Все нефтесодержащие породы залегают под некоторым углом к горизонтальной площади. Поэтому находящаяся в них нефть под действием силы тяжести стремится переместиться вниз по падению пластов. Чем больше угол наклона пласта, тем большей энергией силы тяжести обладает заключающаяся в нем нефть.

Энергия напора, возникающего вследствие проявления силы тяжести, оказывается иногда единственным видом энергии, продвигающей нефть к забоям нефтяных скважин. Режим дренирования таких залежей называется гравитационным.

Энергия силы тяжести имеет практическое значение в поздней стадии разработки нефтяных месторождений закрытого типа, когда энергия упругости газа уже израсходована и прекратилось продвижение контурных вод.

Нефтяная залежь редко разрабатывается на каком-либо одном режиме в течение всего периода ее эксплуатации. Так, например, месторождения с водонапорным режимом, разрабатываемые за счет лишь естественной энергии пласта, при высоких отборах могут перейти на режим растворенного газа.

В некоторых месторождениях различные их участки могут эксплуатироваться на различных режимах: например, нефть в краевые скважины может вытесняться за счет напора контурных вод, а внутренние области пласта могут дренироваться за счет энергии газовой шапки или истощения энергии растворенного в нефти газа.

Газовые залежи могут эксплуатироваться при водонапорном, газовом и смешанном режимах.