pV = ZMRT,

где Z — коэффициент сжимаемости; М — масса газа; р — давление; V — объем газа; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Для нефтяных газов значение коэффициента сжимаемо­сти Z можно найти приближенно

по графикам Брауна, представленным на рис. 1.3. Коэффициенты сжимаемости Z на этом графике зависят от приведенных давления рпр и температуры Тпр, значения которых можно определить по формулам

где р и Т — соответственно давление и температура газа; ркр и Ткр - критические давления и температура.

Для смесей газов критические температуру и давление определяют по формулам или приближенно по графикам рис. 1.4 как функцию относительной плотности смеси. При добыче природного газа часто приходится иметь дело с про­цессами дросселирования, т. е. с изменением давления без совершения внешней работы. Температура идеального газа при этом остается постоянной. Температура реального газа изменяется, что очень важно учитывать, так как это явление связано с выпадением из него влаги и углеводородного кон­денсата. Снижение давления в области относительно низких давлений (до 40 МПа) приводит к охлаждению газа, в облас­ти высоких — к нагреванию. Изменение температуры газа при его дросселировании носит название эффекта Джоуля-Томсона. Различают дифференциальный и интегральный эф­фекты. Большое практическое значение имеет интегральный эффект Джоуля — Томсона, т. е. понижение температуры

газа на конечном участке изменения его давления. Эту вели­чину обычно находят по кривым теплосодержания (рис. 1.5). Зная давление газа и его температуру при одном состоянии, по этим кривым можно найти температуру газа после дроссе­лирования. Для этого от первоначальной точки по линии равного теплосодержания следует переместиться в точку но­вого значения давления. Температура, соответствующая этой точке, явится искомой величиной. Изменение температуры газа при снижении давления на 0,1 МПа называется коэффи­циентом Джоуля — Томсона. Эта величина составляет 0,25 — 0,35 °С на 0,1 МПа (1 атм).

Плотность и минерализация. Плотность дистиллированной воды при 4 °С принята за единицу. Воды нефтяных место­рождений содержат в растворе различные соли, поэтому их плотность больше единицы, причем плотность пластовых вод возрастает с увеличением концентрации солей. Значения плот­ности в зависимости от количества растворенных минераль­ных солей приведены ниже.

Плотность вод нефтяных месторождений

Плотность воды при 15,5 °С,

кг/м3.....................................................160 1080

Количество растворенного

минерального вещества, мг/л..........Не обн.

При концентрации солей в количестве 643 кг/м3 плотность пластовой воды может достигать 1450 кг/м3.

Сжимаемость пластовой воды. Характеризуется коэффи­циентом сжимаемости βв′ который определяется аналогично коэффициенту сжимаемости нефти. Для пластовых вод зна­чение коэффициента сжимаемости изменяется в следующих пределах:

βв = (3,7÷5,0)∙10 -10 1/Па.

Вязкость пластовой воды. На вязкость пластовой воды большое влияние оказывает температура. С ее увеличением вязкость снижается. Рост давления, минерализация и содер­жание в ней растворенных газов существенного влияния на вязкость воды не оказывают.

Электропроводность пластовых вод зависит от степени их минерализации — увеличивается с увеличением минера­лизации и температуры вод. Поверхностное натяжение воды. Имеет очень важное значение с точки зрения ее вымываю­щей способности. Чем меньше поверхностное натяжение воды, тем лучше она вытесняет нефть из пласта. Наименьшее по­верхностное натяжение имеют щелочные воды, так как они содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ) — органи­ческие кислоты и основания.

Приведем в табл. 1.1 классификацию пластовых вод.

Таблица 1.1 Классификация пластовых вод

При наличии нижних краевых вод положение водонефтяного контакта (ВНК) определяет внешний (по кровле пласта) и внутренний (по подошве пласта) контуры нефте­носности. В части пласта, расположенной в пределах внут­реннего контура нефтеносности, нефть содержится по всей мощности пласта от кровли до подошвы включительно. В верхней части пласта, расположенной между внутренним и внешним контурами нефтеносности, содержится нефть, а в нижней — вода. Эта часть пласта называется приконтурной зоной. В процессе добычи нефти обычно происходит продвижение контуров нефтеносности. Одна из задач ра­циональной разработки — обеспечение равномерного про­движения этих контуров.

Поисково-разведочные работы ведутся в целях открытия нефтяного или газового месторождения, определения его за­пасов и составления проекта разработки. При этом поиско­вые работы делятся на несколько этапов:

1) общая геологическая съемка;

2) детальная геологическая съемка;

3) глубокое бурение поисковых скважин.

На первом этапе, который называется общей геологичес­кой съемкой, составляется геологическая карта местности. Горных выработок на этом этапе не делают, проводят лишь работы по расчистке местности для обнажения коренных пород. Общая геологическая съемка позволяет получить не­которое представление о геологическом строении современ­ных отложений на изучаемой площади. Характер залегания пород, покрытых современными отложениями, остается не­изученным.

На втором этапе, называемом детальной структурно-гео­логической съемкой, бурят картировочные и структурные скважины для изучения геологического строения площади. Картировочные скважины бурят глубиной от 20 до 300 м для определения мощности наносов и современных отложений, а также для установления формы залегания слоев, сложенных коренными породами. По результатам общей геологической съемки и картировочного бурения строят геологическую кар­ту, на которой условными обозначениями изображается рас­пространение пород различного возраста. Для более полного представления об изучаемой площади геологическая съемка дополняется сводным стратиграфическим разрезом отложе­ний и геологическими профилями.

коренными породами. По результатам общей геологической съемки и картировочного бурения строят геологическую кар­ту, на которой условными обозначениями изображается рас­пространение пород различного возраста. Для более полного представления об изучаемой площади геологическая съемка дополняется сводным стратиграфическим разрезом отложе­ний и геологическими профилями.

Сводный стратиграфический разрез, вычерчиваемый в виде колонки пород, должен содержать подробную характеристи­ку пород, слагающих изучаемый район [9, 30].

Геологические профили строятся в крест простирания по­род для изображения геологического строения участка в вер­тикальных плоскостях. Для детального выяснения характера залегания пластов или, как говорят, для изучения их струк­турной формы в дополнение к геологической карте строят структурную карту по данным специально пробуренных струк­турных скважин. Структурная карта отражает поверхность интересующего геологов пласта и дает представление о фор­ме пласта при помощи горизонталей. Строят структурную карту следующим образом (рис. 1.6). Исследуемую поверх­ность, отделяющую пласты Аи В, мысленно рассекают гори­зонтальными плоскостями, расположенными, например, че­рез 100 м друг от друга, начиная от уровня моря. Линии пересечения горизонтальных плоскостей с поверхностью пла­ста в определенном масштабе откладывают на плане. Перед цифрой, показывающей глубину нахождения секущей гори­зонтальной поверхности, ставят знак «плюс», если сечение проводится выше уровня моря, и знак «минус», когда оно расположено ниже уровня моря. На втором этапе проводят также геофизические и геохимические методы, позволяющие более детально изучить строение недр и более обоснованно выделить площади, перспективные для глубокого бурения с целью поисков залежей нефти и газа. Из геофизических методов наиболее распространены сейсмо - и электроразвед­ка. Сейсморазведка основана на использовании закономерно­стей распространения упругих волн в земной коре, искусст­венно создаваемых в ней путем взрывов в неглубоких сква­жинах. Сейсмические волны распространяется по поверхнос­ти Земли и в ее недрах.

Некоторая часть энергии этих волн, дойдя до поверхности плотных пород, отразится от нее и возвратится на поверх­ность Земли. Отраженные волны регистрируются специаль­ными приборами — сейсмографами. По времени прихода отраженной волны к сейсмографу и расстоянию от места взрыва судят об условиях залегания пород.

Электроразведка основана на способности пород пропус­кать электрический ток, т. е. на их электропроводности. Из­вестно, что некоторые горные породы (граниты, известняки, песчаники, насыщенные соленой минерализованной водой) хорошо проводят электрический ток, а другие (глины, песча­ники, насыщенные нефтью) практически не обладают электропроводностью. Естественно, что породы, имеющие плохую электропроводность, обладают более высоким сопротивлени­ем. Зная сопротивление различных горных пород, можно по характеру распределения электрического поля определить пос­ледовательность и условия их залегания.

Электрические методы изучения недр Земли широко при­меняются при исследовании разрезов в пробуренных сква­жинах при электрометрии скважин. Для этого в скважину на специальном каротажном кабеле спускают три электрода, а четвертый заземляют на поверхности у устья. Затем включа­ют электрический ток. С помощью специальных приборов измеряется разность потенциалов по всей скважине, при этом записываются диаграмма кажущегося сопротивления и кри­вая потенциалов. Против таких пород, как известняки и на­сыщенные нефтью песчаники, регистрируется значительное кажущееся сопротивление, против глин и водоносных песча­ников отмечаются несравненно меньшие сопротивления. Так как жидкость в скважине не изолирована от пластовой, вслед­ствие перепада давления она из скважины может переме­щаться в пласт и обратно. В результате движения соленой минерализованной воды через пористые породы происходит поляризация и возникает естественная электродвижущая сила. В более проницаемых породах жидкость перемещается быст­рее и, следовательно, возникает большая разность естествен­ных потенциалов. Например, при прохождении жидкости че­рез хорошо проницаемые пески возникает значительно боль­шая естественная разность потенциалов, чем при движении жидкости через плохо проницаемые глины и плотные извес­тняки. Таким образом, в процессе электрометрии скважин при помощи специальных приборов проводится измерение и автоматическая запись кажущихся сопротивлений и естествен­ных разностей потенциалов. Путем сравнения показаний ус­танавливаются глубина залегания и мощность песчаника, на­сыщенного нефтью, характеризующегося большими значени­ями кажущегося сопротивления и естественной разности по­тенциалов. Среди полевых геофизических методов известны также гравиразведка и магниторазведка, а среди методов исследования скважин — радиометрия и др.

Применение геофизических методов позволяет выявить структуры, благоприятные для образования ловушек нефти и газа. Однако содержать нефть и газ могут далеко не все выявленные структуры. Выделить из общего числа обнару­женных структур наиболее перспективные без бурения сква­жин помогают геохимические методы исследования недр, основанные на проведении газовой и бактериологической съемок. Газовая съемка основана на диффузии углеводоро­дов, из которых состоит нефть. Каждая нефтяная или газовая залежь выделяет поток углеводородов, проникающих через любые породы. При помощи специальных геохимических при­боров определяют содержание углеводородов в воздухе на исследуемой площади. Над залежью нефти и газа приборы показывают повышенное содержание углеводородов. Резуль­таты газовой съемки упрощают выбор участка для детальной разведки бурением.

Бактериологическая съемка основана на поиске бактерий, содержащихся в углеводородах. Анализ почв на изучаемой площади позволяет обнаружить места скопления этих бакте­рий, а следовательно, и углеводородов. В результате бактери­ологического анализа почв составляется карта расположения предполагаемых залежей. Таким образом, результаты газовой и бактериологической съемок взаимно дополняют друг друга, что обеспечивает реальность планирования буровых работ на исследуемой площади.

После проведения комплекса геофизических и геохими­ческих исследований приступают к третьему этапу поиско­вых работ — глубокому бурению поисковых скважин. Ус­пешность поисковых работ на третьем этапе в значительной степени зависит от качества работ, проведенных на втором этапе. В случае получения из поисковой скважины нефти и газа заканчиваются поисковые работы и начинается деталь­ная разведка открытого нефтяного или газового месторож­дения. На площади одновременно бурятся так называемые оконтуривающие, оценочные и контрольно-исследовательс­кие глубокие скважины для установления размера (или кон­тура) залежи и контроля за ходом разведки месторождения. После бурения необходимого числа глубоких скважин для разведки месторождения период поисково-разведочных ра­бот заканчивается и начинается период бурения эксплуата­ционных скважин внутри контура нефтеносности (или газо­носности), через которые будет осуществляться добыча не­фти или газа из недр Земли.

Запасы нефти, горючих газов и содержащихся в них ком­понентов по народнохозяйственному значению разделяются на две группы, подлежащие отдельному подсчету и учету:

1) балансовые — запасы, удовлетворяющие промышлен­ным кондициям и горно-техническим условиям эксплуатации; разработка их экономически целесообразна (эти запасы на­зывают геологическими);

2) забалансовые — запасы, выработка которых на данном этапе нерентабельна вследствие небольшого их количества, сложности условий эксплуатации, плохого качества нефти и газа или низкой производительности скважин.

По балансовым запасам рассчитывают извлекаемые запа­сы, т. е. те, которые можно извлечь из недр методами, соот­ветствующими современному уровню техники и технологии.

По степени изученности месторождений запасы нефти, газа и сопутствующих им компонентов разделяются на четы­ре категории: А, В, С,, С2.

К категории А относятся запасы, подсчитанные на площа­ди, детально разведанной и оконтуренной скважинами, дав­шими промышленные притоки нефти и газа. Для подсчета запасов этой категории должны быть хорошо известны пара­метры продуктивного пласта, его продуктивность, границы залежи, свойства нефти и газа, а также содержания в них сопутствующих компонентов (по геолого-геофизическим ре­зультатам и результатам пробной эксплуатации многих сква­жин). Запасы этой категории определяют при разработке месторождения.

К категории В относятся запасы, подсчитанные на площа­ди, промышленная нефтеносность или газоносность которой доказана при бурении скважин с благоприятными промыслово-геофизическими показателями, при условии, что эти сква­жины вскрыли пласт на разных гипсометрических отметках и в них получены промышленные притоки нефти. При под­счете запасов категории В должны быть приближенно изуче­ны геолого-промысловая характеристика пласта, его продук­тивность, контуры нефтегазоносное™, свойства газожидкост­ных смесей в степени, достаточной для составления проекта разработки.

К категории С, относятся запасы залежей, нефтегазоносность которых установлена на основании получения промыш­ленных притоков нефти или газа в отдельных скважинах и благоприятных промыслово-геофизических данных в ряде других скважин, а также запасы части залежи (тектоническо­го блока), примыкающей к площадям с запасами более высо­ких категорий.

К категории С2 относятся запасы залежей нефти или газа всех типов ловушек (структурных, стратиграфических, литологических), установленных достоверными для данной нефтега­зоносной провинции методами геолого-геофизических иссле­дований и характеризующихся на основе структурно-фациального анализа предполагаемым наличием коллекторов, которые перекрыты непроницаемыми породами и могут быть нефте-или газонасыщенными по аналогии с близлежащими хорошо изученными месторождениями. Сюда же относятся запасы нефти или газа в отдельных неразведанных тектонических блоках и пластах нефтяных месторождений, характеризующихся благо­приятными геолого-геофизическими показателями.

Кроме запасов нефти, горючих газов и содержащихся в них сопутствующих компонентов категории А, В, С, и С2, определяемых по отдельным месторождениям и площадям, для оценки потенциальных возможностей нефтегазоносных провинций, областей и районов на основе общих геологичес­ких представлений раскрываются и прогнозные запасы, кото­рые апробируются впоследствии соответствующими министер­ствами и добывающими компаниями.

Проекты разработки нефтяных и нефтегазовых месторож­дений и капитальные вложения, выделяемые на строитель­ство объектов нефтегазодобывающих предприятий и промыш­ленных сооружений, утверждаются при наличии по место­рождению (залежи) утвержденных запасов нефти и горючих газов категорий Аֽֽ Вֽ С1.

Глава 2

Бурение Нефтяных и Газовых Скважин

Скважины, бурящиеся с целью региональных исследований, поисков, разведки и разработки нефтяных месторождений, под­разделяются на следующие категории: а) опорные; б) парамет­рические; в) поисковые; г) разведочные; д) эксплуатационные.

Опорные скважины проектируются с задачей изучения ос­новных черт глубинного строения малоисследованных круп­ных регионов, определения общих закономерностей стратиг­рафического и территориального распределения отложений, благоприятных для нефтегазонакопления. В процессе и по окончании бурения в скважинах проводится комплекс иссле­дований, предусмотренных специальной инструкцией. В ре­зультате опорного бурения дается оценка прогнозных запа­сов нефти и газа.

Параметрические скважины закладываются для изучения глубинного строения и сравнительной оценки перспектив нефтегазоносности возможных зон нефтегазонакопления. В от­личие от опорных скважин в целях ускорения поисковых работ и снижения их стоимости без ущерба для решения основных геологических задач эти скважины бурятся с со­кращенным отбором керна. В результате бурения параметрических скважин могут быть уточнены прогнозные запасы и выявлены запасы нефти и газа категории С2 [9, 30].

Поисковые скважины проектируются по данным парамет­рического бурения и геофизических работ для выяснения наличия или отсутствия залежей нефти и газа на новых площадях и выявления новых залежей на разрабатываемых месторождениях. При проводке скважины предусматривают полный отбор керна в пределах возможно продуктивных го­ризонтов и на границах стратиграфических разделов, а так­же проведение комплекса промыслово-геофизических иссле­дований и опробование возможно продуктивных горизонтов. В результате бурения поисковых скважин могут быть опреде­лены запасы категорий С, и С2.

Разведочные скважины бурятся на площадях после выявле­ния при поисковом бурении их нефтегазоносности. На пер­вой стадии (предварительная разведка) цель бурения таких скважин — оценка промышленного значения месторождений (залежей) и составление технико-экономических докладов (ТЭД) об экономической целесообразности их разведки. Задача вто­рой стадии (детальная разведка) после утверждения ТЭД — подготовка запасов промышленных категорий (А + В + С,) и сбор исходных данных для составления проектов разработки месторождений (залежей).

При бурении разведочных скважин предусматриваются отбор керна в пределах продуктивных горизонтов, проведе­ние комплекса промыслово-геофизических исследований, в том числе отбор керна боковым грунтоносом и опробование горизонтов, включая пробную эксплуатацию.

Продуктивные разведочные скважины на месторождениях, вводимых в разработку, передаются в фонд эксплуатационных.

Эксплуатационные скважины бурятся в соответствии с про­ектами разработки нефтяных и газовых месторождений. В эту категорию входят также нагнетательные, оценочные, на­блюдательные и пьезометрические скважины. Эксплуатаци­онные скважины предназначены для извлечения нефти и газа из разрабатываемой залежи; нагнетательные — для за­качки в продуктивный пласт воды, газа или воздуха; оценоч­ные — для оценки коллекторов продуктивных горизонтов; наблюдательные и пьезометрические — для систематическо­го наблюдения за изменением давления, водонефтяного кон­такта в процессе эксплуатации скважины.

Специальные скважины. В нефтяной и газовой промыш­ленности бурятся также специальные скважины, которые пред­назначены для сброса промысловых вод, ликвидации откры­тых фонтанов нефти и газа, подготовки структур для подзем­ных газохранилищ и закачки в них газа, разведки и добычи технических вод.

Скважиной называется цилиндрическая горная выработка (вертикальная или наклонная) глубиной от нескольких мет­ров до нескольких километров и диаметром свыше 75 мм, сооружаемая в толще горных пород (рис. 2.1).

Элементы скважины:

устье — выход на поверхность или дно моря;

забой — дно;

ствол или стенка — боковая повер­хность.

Расстояние от устья до забоя по оси ствола — длина скважины, а по проекции оси на вертикаль — ее глубина.

Скважины бурят, как правило, с уменьшением диаметра от интервала к интервалу. Начальный диаметр обычно не превышает 900 мм, а конечный редко бывает менее 75 мм.

Углубление скважин осуществляется путем разрушения породы по всей площади забоя (сплошное бурение) или по его периферийной части (колонковое бурение). В последнем случае в центре скважины остается керн (цилиндрический столбик породы), который периодически поднимают на по­верхность для изучения пройденного разреза пород. Сква­жины бурят на суше и на море при помощи специальных буровых установок. Непрерывный рост добычи нефти и газа возможен лишь при условии бурения тысяч скважин, обес­печивающих разведку и ввод в эксплуатацию десятков но­вых нефтяных и газовых месторождений. Однако бурение применяется не только в нефтяной и газовой промышленно­сти. Развитие других отраслей промышленности и сельско­хозяйственного производства немыслимо в настоящее время без буровых работ.

Угольная и горнорудная промышленность. В этих отраслях промышленности бурение скважин ведется в следующих целях:

1) поиск и разведка твердых полезных ископаемых;

2) вентиляция горных выработок;

3) откачка воды из горных выработок;

4) спуск в горные выработки крепежного материала;

5) замораживание грунта при проходке шахт;

6) подземная газификация углей;

7) тушение подземных пожаров;

8) взрывные работы при карьерной и подземной разработ­ке полезных ископаемых.

Химическая промышленность. В коллекторах земной коры иногда в растворенном состоянии содержатся значительные количества солей брома, йода и других химических веществ. В целях добычи растворов, содержащих эти вещества, прихо­дится бурить скважины.

Медицина. В этой отрасли скважины бурятся для добычи минеральных вод.

Промышленное и гражданское строительство. Без буро­вых работ немыслимо изыскание трасс шоссейных и желез­ных дорог, исследование грунтов на месте предполагаемого возведения плотин, мостов, заводов, домов. Кроме того, сква­жины бурят в целях промышленного водоснабжения различ­ных объектов.

Для бурения нефтяных и газовых скважин в России при­меняют только вращательный метод. При этом методе сква­жина как бы высверливается вращающимся долотом. Разбуренные частицы породы выносятся на поверхность циркули­рующей струей промывочной жидкости либо с нагнетаемым в скважину воздухом или газом. В зависимости от местона­хождения двигателя вращательное бурение разделяют на ро­торное и турбинное. При роторном бурении двигатель нахо­дится на поверхности и приводит во вращение долото на забое при помощи колонны бурильных труб. При турбинном бурении двигатель (турбобур или электробур) перенесен к забою скважины и установлен над долотом.

Процесс бурения включает в себя следующие операции: 1) спускоподъемные работы — спуск бурильных труб с до­лотом в скважину до забоя и подъем их с отработанным долотом; 2) работа долота на забое — разрушение породы долотом.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19