Природные режимы нефтегазоносных залежей

ВВЕДЕНИЕ 

    Природным режимом залежи называют совокупность естественных сил (видов энергии), которые обеспечивают перемещение нефти или газа в пласте к забоям добывающих скважин.

    В нефтяных залежах к основным силам, перемещающим нефть в пластах, относятся:

• напор контурной воды под действием ее массы;
• напор контурной воды в результате упругого расширения породы и воды;
• давление газа газовой шапки;
• упругость выделяющегося из нефти растворенного в ней газа;
• сила тяжести нефти.

    При преобладающем проявлении одного из названных источников энергии соответственно различают режимы нефтяных залежей:

• водонапорный,
• упруговодонапорный,
• газонапорный (режим газовой шапки),
• растворенного газа,
• гравитационный.

    В газовых и газоконденсатных залежах источниками энергии являются давление, под которым находится газ в пласте, и напор краевых пластовых вод. Соответственно различают газовый и упруговодогазонапорный режимы.

    Природный режим залежи определяется главным  образом геологическими факторами: характеристикой водонапорной системы, к которой принадлежит залежь, и расположением залежи в этой системе относительно области питания; геолого-физической характеристикой  залежи — термобарическими условиями, фазовым состоянием УВ, условиями  залегания и свойствами пород-коллекторов  и другими факторами; степенью гидродинамической  связи залежи с водонапорной системой. На режим пласта существенное влияние  могут оказывать условия эксплуатации залежей. При использовании для  разработки залежи природных видов  энергии от режима зависят интенсивность  падения пластового давления и, следовательно, энергетический запас залежи на каждом этапе разработки, а также поведение  подвижных границ залежи (ГНК, ГВК, ВНК) и соответствующие тенденции  изменения ее объема по мере отбора запасов нефти и газа. Все это  необходимо учитывать при выборе плотности сети и расположения скважин, установлении их дебита, выборе интервалов перфорации, а также при обосновании  рационального комплекса и объема геолого-промысловых исследований для контроля за разработкой. Природный режим при его использовании обусловливает эффективность разработки залежи - темпы годовой добычи нефти (газа), динамику других важных показателей разработки, возможную степень конечного извлечения запасов нефти (газа) из недр. Продолжительность эксплуатации скважин различными способами, выбор схемы промыслового обустройства месторождения и характеристика технологических установок по подготовке нефти и газа также во многом зависят от режима залежи. Знание природного режима позволяет решить один из центральных вопросов обоснования рациональной системы разработки нефтяных и газоконденсатных залежей: возможно ли применение системы с использованием природных энергетических ресурсов залежи или необходимо искусственное воздействие на залежь?

    Режим залежи при ее эксплуатации хорошо характеризуется кривыми, отражающими  в целом по залежи поведение пластового давления, динамику годовой добычи нефти (газа) и воды, промыслового газового фактора. Все эти кривые в совокупности с другими данными об изменении  фонда скважин, среднего дебита на одну скважину и т.д. представляют собой  график разработки залежи.

     Ниже рассмотрим режимы с преобладанием одного из видов природной энергии.

2. Водонапорный режим

    При водонапорном режиме основным видом энергии является напор краевой воды, которая внедряется в залежь и относительно быстро полностью компенсирует в объеме залежи отбираемое количество нефти и попутной воды. В процессе эксплуатации залежи в ее пределах происходит движение всей массы нефти. Объем залежи постепенно сокращается за счет подъема ВНК (рис.7).

    При этом режиме с целью уменьшения отборов  попутной воды из пласта в скважинах, пробуренных вблизи ВНК или в  его пределах, нижнюю часть нефтенасыщенного пласта обычно не перфорируют.

    Режим свойственен залежам, приуроченным к инфильтрационным водонапорным системам, при хорошей гидродинамической  связи залежи с законтурной зоной  пласта и с областью питания. Эти  предпосылки обеспечиваются при  следующих геологических условиях: больших размерах законтурной области; небольшой удаленности залежи от области питания: высокой проницаемости  и относительно однородном строении пласта-коллектора как в пределах залежи, так и в водоносной области; отсутствии тектонических нарушений, затрудняющих движение воды в системе; низкой вязкости пластовой нефти; при небольших размерах залежи и соответственно умеренных отборах жидкости из продуктивного горизонта, благодаря чему они могут полностью компенсироваться внедряющейся в залежь водой. Одна из важнейших предпосылок действия водонапорного режима — значительная разница между начальным пластовым давлением и давлением насыщения, обеспечивающая в сочетании с другими факторами превышение текущего пластового давления над давлением насыщения на протяжении всего периода разработки и сохранение газа в растворенном состоянии.

    Водонапорный  режим отличают следующие особенности  динамики показателей разработки (рис. 7):

    - тесная связь поведения динамического  пластового давления с величиной  текущего отбора жидкости из  пласта — относительно небольшое  снижение его при увеличении  отбора, неизменная величина при  постоянном отборе, увеличение при  уменьшении отбора, восстановление  почти до начального пластового  давления при полном прекращении  отбора жидкости из залежи; область  снижения давления обычно ограничивается  площадью залежи;

    - практически неизменные на протяжении  всего периода разработки средние  значения промыслового газового  фактора; достигаемый высокий  темп годовой добычи нефти  в период высокой стабильной  добычи нефти, называемый II стадией разработки, — до 8—10% в год и более от начальных извлекаемых запасов (НИЗ); отбор за основной период разработки (за первые три стадии) около 85—90% извлекаемых запасов нефти;

    - извлечение вместе с нефтью  в период падения добычи нефти  попутной воды, в результате чего  к концу разработки отношение  накопленных отборов воды и  нефти (водонефтяной фактор —  ВНФ) может достигать 0,5—1.

    При водонапорном режиме достигается наиболее высокий коэффициент извлечения нефти — до 0,6—0,7. Это обусловлено  способностью воды, особенно пластовой  минерализованной, хорошо отмывать нефть  и вытеснять ее из пустот породы-коллектора, а также сочетанием исключительно  благоприятных геолого-физических условий, в которых действует  рассматриваемый режим. Водонапорным режимом характеризуются отдельные залежи в терригенных отложениях Грозненского района, Куйбышевской, Волгоградской и Саратовской областей и некоторых других районов.

3. Упруговодонапорный режим.

    Режим, при котором нефть  вытесняется из пласта под действием  напора краевой воды, но в отличие от водонапорного режима основным источником энергии при этом служит упругость  пород-коллекторов  и насыщающей их жидкости. При этом режиме отбор жидкости не полностью компенсируется внедряющейся в залежь водой. В результате снижение давления в пласте постепенно распространяется за пределы залежи и захватывает большую область водоносной части пласта. В этой области происходит соответствующее расширение породы и пластовой воды. Коэффициенты упругости воды и породы незначительны, однако при больших размерах области сниженного давления, во много раз превышающих размеры залежи, упругие силы пласта служат источником значительной энергии.

    Объем нефти DV_н, получаемой из залежи за счет упругих сил при снижении в ней пластового давления на DР, можно выразить формулой

    где DV'_н, DV_н" — объемы нефти, полученные соответственно за счет упругих сил самой залежи и водоносной области пласта; V_н, V_в — объемы нефтеносной и вовлеченной в процесс снижения пластового давления водоносной частей пласта; b^*_н, b^*_в — коэффициенты объемной упругости пласта в нефтеносной и водоносной частях (b^*= k_нb^*_ж + b_с, где k_н — средний коэффициент пористости; b_ж, b_с - коэффициенты объемной упругости жидкости и породы). Доля нефти, добываемой за счет упругости нефтеносной области пласта, обычно невелика в связи с небольшим объемом залежи относительно водоносной области.

    Упруговодонапорный  режим может проявляться в  различных геологических условиях. Им могут обладать залежи инфильтрационных водонапорных систем, имеющие слабую гидродинамическую связь (или не имеющие ее) с областью питания вследствие большой удаленности от нее, пониженной проницаемости и значительной неоднородности пласта, повышенной вязкости нефти, а также вследствие больших размеров залежи и соответственно значительных отборов жидкости, которые не могут полностью возмещаться внедряющейся в залежь пластовой водой. Упруговодонапорный режим характерен для всех залежей, приуроченных к элизионным водонапорным системам.

    Проявлению  упруговодонапорного режима способствует залегание пласта-коллектора на большой  площади за пределами залежи. Так  же, как и при водонапорном режиме, обязательным условием является превышение начального пластового давления над  давлением насыщения.

    Перфорация  нефтенасыщенной части пласта выполняется, как и при водонапорном режиме.

     Процесс вытеснения нефти водой из пласта аналогичен водонапорному режиму, однако вследствие менее благоприятных геолого-физических условий доля неизвлекаемых запасов по сравнению с водонапорным режимом несколько возрастает. Динамика показателей разработки при упруговодонапорном режиме (рис. 8) имеет и сходства с динамикой водонапорного режима, и отличия от нее.

    Основное  сходство состоит в том, что на протяжении всего периода разработки промысловый газовый фактор остается постоянным вследствие превышения пластового давления над давлением насыщения. Отличия заключаются в следующем: при упруговодонапорном режиме на протяжении всего периода разработки происходит снижение пластового давления; по мере расширения области снижения давления вокруг залежи темп падения давления постепенно замедляется (рис. 8), в результате отбор жидкости при падении давления на 1 МПа во времени постепенно возрастает. Интенсивность замедления падения  давления при этом зависит от размеров законтурной области залежи. Кривая 1 на Рис. 9. соответствует случаю, когда  упруговодонапорная система имеет  большие размеры. Кривая 2 отражает случай с относительно небольшой законтурной областью, что характерно для продуктивных горизонтов, в которых или проницаемость резко снижается в законтурной области, или имеются дизъюнктивные нарушения на небольшом удалении от залежи.

    Зависимость, представленная прямой линией 3, указывает  на то, что добыча жидкости осуществляется лишь за счет упругих сил собственно нефтеносной области (залежь литологического  типа или запечатанная). Такой режим  залежей в практике называют упругим.

    При элизионном характере водонапорной системы, когда залежь обладает СГПД, упруговодонапорный режим, соответствует кривой 2. При высокой продуктивности залежей режим может обеспечивать значительные коэффициенты извлечения нефти и темпы разработки.

    Темп  добычи нефти при упруговодонапорном режиме во II стадии разработки обычно не превышает 5—7% в год от НИЗ (рис. 8). К концу основного периода разработки обычно отбирается около 80 % извлекаемых запасов. Добыча нефти сопровождается более интенсивным обводнением продукции, чем при водонапорном режиме. Значение водонефтяного фактора к концу разработки может достигнуть 2—3. Значения конечного коэффициента извлечения нефти обычно не превышают 0,5—0,55. В связи со значительными различиями в активности режима диапазон значений относительных годовых и конечных показателей разработки при нем довольно широк.

    Природный упруговодонапорный режим, сохраняющийся  до конца разработки, характерен для  верхнемеловых залежей Грозненского района, Восточной Украины и других районов.

4. Газонапорный режим.

    Газонапорный  режим — это режим нефтяной части газонефтяной залежи, при котором нефть вытесняется из пласта под действием напора газа, заключенного в газовой шапке. В результате снижения пластового давления в нефтяной части залежи происходит расширение газовой шапки и соответствующее перемещение вниз ГНК. Процесс расширения газовой шапки может несколько активизироваться в связи с поступлением в нее газа, выделяющегося из нефти: поскольку в нефтегазовых залежах давление насыщения часто близко к начальному пластовому, то вскоре после начала разработки пластовое давление оказывается ниже давления насыщения, в результате начинается выделение из нефти растворенного газа; при высокой вертикальной проницаемости пласта газ частично пополняет шапку.

    Режим в чистом виде может действовать  в залежах, не имеющих гидродинамической  связи с законтурной областью, или при весьма слабой активности краевых вод. Причинами разобщения залежи и законтурной области могут быть резкое снижение проницаемости в периферийной зоне залежи, наличие запечатывающего слоя вблизи ВНК, наличие тектонических нарушений, ограничивающих залежь, и др. Геологические условия, способствующие проявлению газонапорного режима: наличие большой газовой шапки, обладающей достаточным запасом энергии для вытеснения нефти; значительная высота нефтяной части залежи; высокая проницаемость пласта по вертикали; малая вязкость пластовой нефти (не более 2—3 мПа×с).