Гидроразрыв в твердых породах

р:

Гидроразрыв в твердых породах (I)

(без микрозазора, вертикальные скважины)

•    В газовых скважинах, без жидкости в стволе, корпусные перфораторы малого диаметра с плотностью 1-2 отв./фут могут обеспечить хорошую связь.

•    Абасс (Автор SPE 28555)

180° фазировка перфорации при предпочтительной плоскости трещины

<30°

•    Если невозможно, то фазировка 60°.

•    Плотность отверстий при 60° фазировке должна быть троекратна одной при 180°

фазировке.

Гидроразрыв в твердых породах (II)

(без микрозазора, вертикальные скважины)

(SPE 59480)

Гидроразрыв в твердых породах (III)

(без микрозазор, вертикальные скважины)

•    Стадулис (Автор SPE 29549) — фазировка 0°, 1 отв/фут с несколькими порциями проппанта чтобы не допустить многочисленных трещин и приствольного выпадения проппанта.

•    Три фактора: низкая плотность перфорации, закрытые микрозазоры и несколько порций проппанта. Что приводит к успеху?

•    Распространяется ли одиночная двухкрылая трещина при

фазировке 0°?

•    Если инициировано распространение трещины в двух направлениях (двукрылость), то крыло напротив перфорации будет ограничивать поток и может вызвать выпадение проппанта.

выпадение

Гидроразрыв в твердых породах (IV)

(открытые микрозазоры, вертикальные скважины)

Плоскость трещины

К

Микрозазоры

Гидроразрыв в твердых породах (V)

(открытые микрозазоры, вертикальные скважины)

(SPE 59480)

Гидроразрыв в твердых породах (VI)

(направленные и горизонтальные скважины, вертикальные

трещины)

•    Если скважина в плоскости трещины, 180° ориентация вверх и вниз.

•    ARCO использует эту методику до 65° отклонения.

•    Если направление напряжения неизвестно, то перфорируйте верх и низ.

•    Чтобы сократить появление многочисленных трещин, увеличьте угол наименьшего интервала.

•    Для отклонения    <    45°,    10 футов перфорированного интервала

должно быть достаточно.

•    Для отклонения    >    45°,    уменьшите интервал.

•    Для отклонения    >    75°,    короткие участки (менее 3 футов, с

различными углами фазировки).

я

Перфорированный интервал

Плоскость трещины

Плоскость трещины скважина

В середине интервала многочисленные трещины вызваны сокращением ширины

Глубина проникновения

•    От 4 до 6 дюймов внутрь пласта (максимум).

•    Теоретически, отверстие должно быть в 6 раз больше диаметра частицы проппанта.

•    На практике, отверстие должно быть в 8 раз больше диаметра

частицы проппанта.

•    Большая дифференциация напряжения лучше всего достигается при фазировке 60°.

р

Простреливание и размер отверстия

•    Падение давления является функцией темпа нагнетания жидкости ГРП на перфорацию и ее вязкости.

•    В ходе процесса, размер отверстия увеличивается в результате эрозии как от жидкости ГРП, но в основном, от

проппанта.

•    Для фазировок 0° и 180° , все отверстия работают на

трещину.

•    Для фазировки 120°, только две трети работают на трещину и для фазировки 60° только одна треть обеспечена связью.

•    Падение давления на перфорации должно быть менее 25 psi.

Освоение скважины составляет особый технологический цикл, который завершает ее строительство. Качество освоения и результаты последующей эксплуатации скважины зависят от того, насколько удастся восстановить фильтрационные характеристики продуктивных пластов-коллекторов на стадии первичного и вторичного вскрытия пласта, вызова притока, применения различных методов интенсификации притока из пласта. Качество освоения, по существу, определяет темпы и характер разработки месторождений.

Скважина, околоскважинная зона и межскважинная часть пласта - это взаимосвязанные и взаимодействующие элементы единой техноприродной системы. В процессе сооружения скважины наиболее существенные изменения фильтрационных свойств пласта (ФСП) происходят в ее околосква-жинной части. Известно, что даже в окончательный период функционирования скважины изменение ее фильтрационных свойств в призабойной или околоскважинной зоне оказывает влияние на ее продуктивность. Поэтому ухудшение ФСП на начальной стадии эксплуатации скважины оказывает влияние не только на ее производительность, но и на темпы разработки месторождения и конечный коэффициент нефтегазоизвлечения. ФСП ухудшаются вследствие засорения пласта различными веществами во время первичного вскрытия, цементирования колонны, вторичного вскрытия перфорацией и при различных ремонтах скважины. Физико-химическое взаимодействие фильтрата с пластовым фильтратом и породой, усиленное влиянием высокой температуры, приводит к гидратации глин, выпадению солей, ас-фальтенов и смол, образованию застойных зон, а в зоне контакта фильтрата с пластовым флюидом и коллектором образовываются поверхности с высоким градиентом давления, который не всегда удается преодолеть за счет энергии пласта.

В зонах ухудшенной проницаемости теряется значительная часть пластовой энергии. В связи с особенностями потерь давления в околоскважинной зоне при фильтрации флюидов среднюю проницаемость техногенной системы скважина - околоскважинная зона - межскважинная часть пласта определяет именно проницаемость околоскважинной области, несмотря на ее незначительные размеры. Известно, что ухудшение проницаемости околоскважинной зоны в 5 раз приводит к двухкратному снижению производительности скважины, изменение проницаемости в 10 раз уменьшает производительность скважины в 3,5 раза, а уменьшение проницаемости в 50 раз может вызвать потерю производительности в 15 раз.

Важным обстоятельством является то, что размеры зоны с ухудшенной проницаемостью при этом могут составлять только десятки сантиметров.

Анализы фактических изменений фильтрационной характеристики в околоскважинной зоне указывают на их широкий диапазон. Так, на нефтяных месторождениях Украины производительность скважин вследствие ухудшения фильтрационных свойств может уменьшаться в 2-12 раз, в республике Коми и на Самотлорском месторождении (Российская Федерация) в 23-27 раз, в Белоруссии - в 18 раз. В среднем после окончания бурения и освоения скважин более 50 % всех пластов имеют до 2 раз уменьшенную производительность против потенциально возможной, 25 % - в 4 раза и 10 % пластов имеют в 10 раз уменьшенную производительность.

Эта статистика определяет сегодня и основную стратегию регулирования ФСП в околоскважинной зоне - сведение к минимуму ухудшения проницаемости путем подбора современных технологий вскрытия пласта, освоения и эксплуатации скважин. Если во время бурения невозможно обеспечить сохранение природных ФСП, то необходимо восстановить их на стадии освоения скважины путем целенаправленного воздействия на призабойную зону.

Мировой практикой накоплен большой объем современных технологий вскрытия пласта. К ним относятся и бурение скважин на равновесии давлений в системе скважина - пласт с применением газообразных веществ, использование современных буровых растворов, технологий бурения и т.д. В последние годы созданы совершенные технологии освоения скважин, включающие вторичное вскрытие, методы вызова притока, методы искусственного химического, гидродинамического, термохимического воздействия на пласт и др.

Объединение этих технологий способно обеспечить минимум потерь продуктивности скважин.

В предлагаемой читателю книге собраны научные и производственные сведения, начиная от методов проектирования конструкций забоев скважин до описания оборудования, расчетных схем, методов вызова притока, искусственного воздействия на пласт и т.д. Эта книга является как бы квинтэссенцией работ известных ученых России, Украины, Азербайджана, которые посвятили значительную часть своей творческой жизни проблемам сооружения и эксплуатации скважин (М.Ф. Рязанцев, Н.А. Сидоров, Н.Н. Михайлов, М.Р. Мавлютов, Ю.З. Цырин, Н.Г. Григорьян, В.А. Амиян, В.И. Вани-фатьев, П.С. Варламов, М.О. Ашрафьян, И.И. Мищенко, П.А. Бродский, М.Л. Сургучев, И.М. Гайворонский, А.Х. Мирзаджанзаде, Е.М. Соловьев,

А.К. Степанянц, В.С. Бойко, Н.П. Лесик, С.В. Константинов, В.И. Гусев, Д.Н. Кузьмичев, П.М. Усачева, В.И. Щуров, С.С. Бучковский, А.И. Булатов, Р.С. Яремийчук, Ю.Д. Качмар и др.).

Нефтегазовый комплекс России по праву считается локомотивом экономики страны. Крупный народнохозяйственный эффект снимается в его завершающих переделах - нефтехимии и нефтепереработке. Однако значительные валютные поступления от экспорта нефти и газа выводят на первый план экономики проблемы нефтедобывающего производства. Ситуацию в этом секторе комплекса следует признать как крайне сложную. Нынешний период стал как бы сосредоточением накопившихся в предыдущие годы негативных тенденций, часть из которых является следствием естественных горно-геологических и технологических закономерностей, но большая часть, безусловно, связана с неудовлетворительным руководством этой важной отраслью народного хозяйства.

Эти тенденции раньше всего проявляются в радикальном изменении структуры запасов нефти. Уже более 55 % запасов относятся к категории трудноизвлекаемых, требуют разработки новых технологий и оборудования, крупных финансовых и трудовых затрат. Ухудшение качества запасов вызвало снижение средних дебитов новых скважин. Только за последние 10-15 лет средние дебиты снизились по разным районам в 2-4 раза. Теперь для создания равных нефтедобывающих мощностей необходимо бурить вместо одной до 4-х скважин. А если учесть, что в период бурного “реформирования” было сокращено более половины буровых бригад, становится понятным снижение возможностей по созданию новых мощностей.

Работа по наращиванию новых, желательно “подвижных”, запасов находится на самом низком уровне. Уже давно мы “проедаем” запасы, добывая нефти из них больше, чем приращиваем.

Важно отметить, что эксплуатируемые крупные месторождения, определяющие “лицо” отрасли, находятся в поздней стадии разработки (Ромашкино, Самотлор, Муханово, Мамонтовское, Туймазинское и др.) в связи со значительным исчерпанием запасов. К сожалению, аналогичных месторождений уже давно не открывается, хотя геологические предпосылки для этого, безусловно, имеются.

Что касается “наземного” нефтяного хозяйства, то оно нуждается в серьезной реконструкции и модернизации. Изношенность трубопроводов и промыслового оборудования по различным районам составляет от 50 до 80 %. Надежность оборудования - низкая. Часты аварии, приводящие к серьезным экологическим последствиям. Качество и номенклатура выпускаемых отечественными заводами труб, оборудования и агрегатов не отвечает сложности новых технологических и экономических требований.

Добившись от Госдумы Российской Федерации (РФ) включения в

Закон о Соглашении раздела продукции (СРП) положения о поставках 70 % собственного оборудования на месторождения, разрабатываемые на основе этого Закона, часть наших производителей продукции нефтяного машиностроения упускают из вида необходимость радикального улучшения качества своей продукции.

Отдельно следует сказать о совершенно неудовлетворительном состоянии отраслевой и академической науки, работающей в области геологии и разработки нефтяных месторождений. Даже то, что от нее осталось, разобщено по компаниям, и общей стратегии развития науки и техники по нефти нет. В равной мере это касается и состояния среднетехнического и высшего образования. Уже сегодня ощущается острый недостаток в кадрах для нефтяных предприятий. Уровень оснащения лабораторий и учебных производств в нефтяных вузах не идет ни в какое сравнение с тем, что приходится видеть в ведущих университетах мира.

Ведущие ученые страны, работающие в области топливноэнергетического комплекса (ТЭК), по заданию Министра топлива и энергетики РФ В. И. Калюжного разработали вариант стратегии развития ТЭК, в том числе и нефтедобывающего производства. В целом высоко оценивая значение этой работы, нельзя не обратить внимание на крайне высокие потребные капитальные вложения, масштабы которых на реконструкцию и развитие только нефтедобычи выходят далеко за рамки возможностей страны.

Выход из создавшегося положения специалисты и ученые ОАО РИТЭК (Российская инновационная топливно-энергетическая компания) видят в возможностях технического прогресса, развитии инновационной деятельности.

Проведенные расчеты и оценки позволяют утверждать, что использование уже известных и частично освоенных новых технологий и оборудования позволяет примерно наполовину сократить потребные на перспективу инвестиции. Об одном из таких направлений говорится в предлагаемой читателям книге - по принципам минимизации количества скважин на многопластовых месторождениях, что позволяет кратно сократить капитальные вложения на бурение и обустройство при сохранении оптимального уровня добычи нефти. Эти принципы фактически реализуются на месторождениях ОАО РИТЭК, что позволило обеспечить достаточный уровень рентабельности нефтедобывающего производства, тогда как освоение этих месторождений на общепринятых принципах экономических перспектив не имело.

Можно указать на ряд других направлений инновационной деятельности, которые реально откроют для нефтяных предприятий новые фронты работ и позволят в той или иной мере изменить положение в нефтедобыче к лучшему.

В первую очередь имеются в виду работы по оптимизации разработки месторождений и повышению нефтеотдачи пластов. Значение этого направления трудно переоценить, поскольку оно позволяет развернуть широкомасштабные работы на действующих месторождениях с имеющимися обустройством, инфраструктурой и трудовым коллективом.

Хотелось бы, естественно, предостеречь от упрощенчества в решении этой проблемы, что зачастую сегодня имеет место, когда уже каждый знает, что в недрах остается много нефти, и недоумевает, куда только эти простаки-нефтяники смотрят.

Подход к решению этой проблемы требует серьезного пересмотра сложившихся норм и правил, так называемых “основополагающих” принципов и технологических регламентов. Предстоит обеспечить серьезное развитие промысловой геофизики, создание геологических моделей месторождений, оперативных компьютерных систем управления разработкой, использование новых и новейших технологий воздействия на пласт и призабойную зону скважин, совершенствование технологии вскрытия нефтяного пласта (включая разработку и производство забойного оборудования, позволяющего вести эксплуатацию многопластовых залежей). Одним из основополагающих принципов этой программы должно стать создание архива новых технологий, в который вошли б ы все достижения отечественной и мировой науки и техники с определенным механизмом доступа к этим материалам, защищающим интересы авторов - патентообладателей.

Особый разговор - проблемы нефтяного машиностроения. Недостатки в этой области практически свели на нет достижения нашей научной мысли в области передовых технологий. Примером может явиться технология гидравлического разрыва пласта (ГРП), разработанная в России. Еще в 50-х годах мы начали применение этого высокоэффективного метода. Однако оборудование для ГРП так и не было создано, и вот теперь покупается зарубежный “флот” ГРП или тратятся огромные деньги за сервис зарубежных компаний.

Такова же судьба горизонтального бурения, где мы потеряли идею вместе с автором; газлифта, предложенного еще в прошлом веке инженером Шуховым; турбинных двигателей и др. Горько и обидно все это перечислять. Радует, что есть обнадеживающие ростки - новые высококлассные машиностроительные заводы нефтяного профиля появились в Ижевске, Буланаше, Октябрьском (Республика Башкортостан).

Надеемся, что представляемая на суд ученых и инженеров-нефтя-ников книга хотя бы в небольшой степени послужит делу развития нашей отрасли.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

Предлагаемая читателю книга является научным обобщением результатов анализа эффективности технологических процессов добычи нефти, исследований проблем их совершенствования в целях обеспечения оптимальных показателей разработки нефтяных месторождений ОАО "Оренбургнефть" в осложненных горно-геологических условиях.

ОАО "Оренбургнефть" разрабатывает более 80 нефтяных месторождений, включающих около 350 объектов эксплуатации. Из общего объема остаточных трудноизвлекае-мых запасов нефти около 48 % сосредоточены в залежах с низкопродуктивными коллекторами, 48 % - приурочены к водонефтяным зонам залежей.

Характерной особенностью Оренбургского нефтегазоносного района является рассредоточенность разрабатываемых месторождений, значительная часть которых находится на поздней стадии разработки.

Несмотря на сложность горно-геологических и технологических условий и серьезные недостатки в обеспечении современным оборудованием и техническими средствами, объединение устойчиво сохраняет годовую добычу нефти в течение последних 7 лет на уровне 7,4-7,5 млн т.

Однако на современном этапе производственно-хозяйственная деятельность ОАО "Оренбургнефть" осуществляется в сложных экономических условиях. Это связано с инфляцией, несбалансированным ростом цен на нефтепромысловое оборудование, материально-технические и энергетические ресурсы, разрывом традиционных связей с поставщиками, нестабильными ценами на реализуемую нефть и др.

В создавшихся условиях имеют важное значение разработка и применение в процессах добычи нефти более совершенного и энергосберегающего нефтепромыслового оборудования, а также обеспечение оптимальных условий его эксплуатации.

Одной из важных задач освоения и рациональной разработки нефтяных месторождений является поиск наиболее оптимальных способов подъема пластовой жидкости на поверхность. Затраты, зависящие от способа эксплуатации скважин, имеют существенное значение в структуре затрат на добычу нефти. В общем виде задача сводится к обеспечению получения намеченных объемов подъема жидкости из скважин за весь период разработки месторождения при минимальных затратах.

Опыт показывает, что на многих месторождениях запасы естественной пластовой энергии превышают энергию, необходимую для подъема всех извлекаемых запасов нефти, однако только ее использование приводит к снижению темпов разработки пластов.

Подача дополнительной энергии с поверхности обеспечивает увеличение темпов разработки и повышение конечной нефтеотдачи. Таким образом, выбор способов добычи нефти, поддержание энергетического состояния нефтяных месторождений, общие затраты на добычу нефти, а также обеспечение приемлемых коэффициентов нефтеотдачи пластов являются важнейшими задачами выбора оптимальных систем разработки.

Кроме чисто экономических показателей важно учитывать и такие характеристики, как надежность и ре-монтность, возможность исследования скважин и пластов, регулирование отборов жидкости, возможная степень автоматизации производства и управления процессом добычи нефти.

Однако выбор способов эксплуатации скважин в проектах разработки в настоящее время осуществляется без достаточного обоснования. Такое положение часто приводит к серьезным осложнениям и неоправданным затратам. В связи с этим в книге рассмотрены состояние и возможные пути совершенствования методов выбора оптимальных способов добычи нефти в различных горно-геологических условиях.

В ОАО "Оренбургнефть" была разработана принципиально новая длинноходовая насосная установка с ленточным механизмом подъема для добычи нефти. В объединении изготовлено и находится в эксплуатации 10 ДНУ совместного производства ОАО "Оренбургнефть" и фирмы "Лидан Инжиниринг", имеющие принципиальное отличие от применяемых глубинно-насосных установок. Опытнопромышленные испытания ДНУ на скважинах НГДУ "Бу-зулукнефть" показали высокую их эффективность в осложненных условиях.

Причинами осложнения процессов добычи нефти являются: кривизна и профиль скважины, отложения солей в промысловом оборудовании, АСПО, гидратов углеводородов; вынос механических примесей и коррозия оборудования. Отсутствие эффективных способов предупреждения и устранения осложнений приводит к удорожанию добычи нефти и нарушению экологического равновесия в окружающей среде.

На промыслах ОАО "Оренбургнефть" и в научных коллективах разработаны и используются множество новых инженерных решений, в том числе под руководством и участием автора, давших значительную экономию материальных и трудовых затрат, обеспечивших поддержание уровня добычи нефти.

Известно, что разработка нефтяных месторождений в экологическом отношении является весьма сложным и ответственным видом человеческой деятельности. На всем пути движения от скважины до потребителя нефть, газ и попутные воды являются потенциальными загрязнителями окружающей среды. Решение экологических проблем требует внедрения технологий и оборудования, обеспечивающих рациональное природопользование и минимальное загрязнение природной среды и недр.

На объектах ОАО "Оренбургнефть" активно внедряются различные технологические и технические решения, способствующие экологическому оздоровлению районов нефтегазодобычи.

В книге использованы промысловые отчетные материалы, характеризующие развитие и состояние процессов добычи нефти и газа на объектах объединения, результаты собственных исследований, выполненных специалистами с участием автора по разработке новых технологических процессов, по совершенствованию способов предупреждения и ликвидации различных осложнений при добыче нефти.

При работе над книгой автор неоднократно пользовался помощью, советами, учитывал высказывания при обсуждении затронутых проблем, а также результаты совместных исследований с Н.Ф. Козловым, Б.З. Султановым, Л.Т. Дытюком, В.Н. Елисеевым, Л.С. Капланом, Л.Е. Ленчен-ковой, П.И. Постоенко, Г.А. Шамаевым, Ф.Х. Ха-лиуллиным, В.А. Ходыревым, В.В. Андреевым, Ю.Н. Грызуновым, В.В. Романовым, С.П. Столыпиным, А.П. Казы-гошевым, А.С. Пантелеевым. Всем им он выражает свою глубокую благодарность.

Автор благодарит М.М. Кабирова за огромную помощь на завершающем этапе подготовки данной книги к опубликованию.

Нефтегазодобывающая промышленность страны в своем развитии прошла несколько существенно отличающихся друг от друга периодов. Особенно сложен последний, современный период, характеризующийся коренным изменением состояния всей социально-хозяйственной обстановки в отрасли и в стране в целом.

Современный этап развития отрасли совпадает с переходом от плановоадминистративного управления промышленностью и экономикой страны к преимущественно рыночным отношениям.

Этому периоду свойственно резкое ухудшение сырьевой базы нефтяной промышленности. Оно связано со вступлением многих нефтяных залежей в сложную позднюю стадию разработки, когда основная часть запасов уже отобрана, с низкой продуктивностью и крайне неблагоприятными геологофизическими параметрами вводимых в разработку новых залежей, с недостаточным приростом разведанных запасов нефти. Запасы большинства введенных и вводимых в разработку залежей нефти являются трудноизвле-каемыми. В целом удовлетворительное состояние газовой промышленности все более осложняется возрастающей ролью залежей с нефтяными оторочками и газоконденсатных залежей.

Проблемы, связанные с возросшими сложностями использования нефтяной сырьевой базы, решаются в условиях изменившейся коренным образом организационной структуры нефтяной отрасли и методов управления ею. Вместо прежнего централизованного управления нефтяной промышленностью осуществляется ее руководство несколькими крупными концернами, компаниями; лицензии на разведку и разработку залежей получают также многочисленные небольшие акционерные общества.

В меньшей степени общая реструктуризация коснулась газовой промышленности. В этой обстановке резко изменились условия работы по использованию нефтяных и газовых недр.

Возросла необходимость повышения уровня методов промысловогеологического изучения залежей нефти и газа с использованием современной компьютерной техники.

Ведется поиск все более совершенных технологий разработки и дораз-работки месторождений, способов контроля и управления внутрипласто-выми процессами для более полного использования недр.

Огромное значение приобрела проблема решения технологических задач в жестких рамках современной рыночной экономики.

Подготавливаемые высшей школой специалисты должны уверенно решать этот крут вопросов в современных усложнившихся условиях.

Указанные тенденции и вытекающие из них задачи учтены в программе курса "Нефтепромысловая геология" для студентов, обучающихся поспеци-альности 0805 "Геология нефти и газа". Настоящий учебник подготовлен в соответствии с этой программой.

В М Е С Т О П Р Е Д И С Л О В И Я

Что определяет прогресс науки и техники в современном мире - фундаментальные или прикладные исследования, теоретические или экспериментальные разработки, тщательное и скрупулезное совершенствование существующих процессов и действующего оборудования или интуитивные прозрения в области принципиально новых решений? Традиционный ответ будет, очевидно, связан с максимальной перспективностью фундаментальных исследований ии принципиально новых технологических и конструктивных решений, открывающих дорогу в эру высоких технологий.

Однако правильнее было бы сказать, что наиболее важными являются комплексные исследования и разработки, связанные не только с фундаментальными исследованиями и разработками принципиально новых технологий и нового оборудования, но и с совершенствованием существующих процессов и действующего оборудования. Вот такой пример прекрасного сочетания новых и принципиально новых решений мы видим в настоящей работе, посвященной совершенствованию технологии и оборудования установок подготовки, переработки и утилизации углеводородных газов, конденсата и нефтепродуктов.

Авторы настоящей монографии выступают здесь не только как опытные и высококвалифицированные специалисты, как творцы новой техники и технологии в области подготовки и переработки углеводородных газов, конденсатов и нефтепродуктов, но и как организаторы одной из ведущих отраслей газовой промышленности, поскольку практически все приведенные здесь новые технологии и новое оборудование прошли все стадии их разработки и внедрения от опытно-промышленных исследований и промышленных испытаний до широкого внедрения в отечественную практику газовой промышленности.

Таким образом, в представленных материалах отражен фактически уникальный отечественный опыт разработки новых технологий и нового оборудования в области подготовки и переработки природных газов и газового конденсата, проводившейся коллективом сотрудников ЦКБН под идейным и научным руководством авторов данной работы.

Обращает на себя внимание не только оригинальность новых решений, их новизна, а во многих случаях и принципиальная новизна, но и охват практически всех аспектов промысловой газовой технологии, включающей типовые процессы, такие, например, как технология и оборудование подготовки сероводородсодержащих газов, осушки природных газов, процессов разделения природных газов, разделения многокомпонентных жидких смесей углеводородов, получения холода, использования струйных аппаратов для сжатия газа и создания вакуума и многого другого.

Настоящая книга - это не только итог многолетней работы ЦКБН - ведущей организации России в области технологии и оборудования газовой промышленности. В ней обобщен •огатейший опыт совершенствования действующих и разработки новых технологий и оборудования, который может быть успешно использован работниками не только газовой, но и смежных с ней отраслей промышленности - в нефтепереработке, в химической промышленности, а также в целом ряде отраслей промышленности, где используются процессы и оборудование для разделения многокомпонентных газовых и жидких смесей, для создания холода и понижения давления.

Доктор технических наук, профессор

И.А. Александров

ПРЕДИСЛОВИЕ

Авторы книги - крупные специалисты в области разработки месторождений природного газа. Их имена известны не только в России, но и во всех газодобывающих странах ближнего и дальнего зарубежья .

Р.И. Вяхирева, А.И. Гриценко, Р.М. Тер-Саркисова объединяет опыт работы с большими коллективами при решении задач отрасли. С этими именами ассоциируется мощное развитие газовой индустрии на Кубани, в Оренбуржье, Республике Коми, районах Прикаспия, Западной Сибири, Севера Тюменской области, акватории и шельфа Северного Ледовитого океана, то есть по существу страны в целом.

Россия занимает уникальное место в мире по разведанным запасам газа, темпам роста его промышленного производства, масштабам экспорта газа в европейские и азиатские страны. Это предопределило огромные трудности, которые необходимо было преодолевать людям, посвятившим себя газовому делу. В предлагаемой читателю книге рассматриваются все основные проблемы разработки месторождений природного газа. Анализируется опыт освоения крупнейших в мире по своим запасам залежей газового и газоконденсатного типа. Описаны новые технологии, предложенные авторами и успешно реализуемые в газопромысловой практике. Следует подчеркнуть, что эти технологии создавались с использованием масштабных фундаментальных исследований под руководством и при активном участии авторов. Использовались самые современные методы изучения термодинамических процессов, сопровождающих фильтрацию флюидов в разрабатываемом пласте.

Разумеется, книге предшествовало огромное количество публикаций как в России, так и за рубежом, освещавших результаты упомянутых работ. Ценность монографии в том, что в ней изложены не только общие проблемы (и показаны пути их решения), с которыми сталкиваются специалисты при разработке газовых месторождений, но и конкретные задачи, требовавшие своего решения в российских условиях.

Значительная часть книги посвящена весьма актуальным вопросам, связанным с разработкой трудноизвлекаемых запасов газообразных и жидких углеводородов, доля которых неуклонно возрастает по мере исчерпания природных ресурсов. Авторы излагают научные основы активизации процессов извлечения таких запасов из продуктивных отложений, а также анализируют опыт внедрения предложенных с их участием новых технологий разработки залежей, обеспечивающих повышение ее эффективности за счет отбора из пласта трудноизвлекаемых запасов газа, газового конденсата, нефти.

Можно высказать уверенность, что предлагаемое издание •удет с огромным интересом встречено специалистами, а также с благодарностью принято теми, кто только начинает изучать одну из наиболее трудных, но увлекательных профессий - газовое дело.

Директор Института проблем нефти и газа РАН, академик

А.Н. Дмитриевский

Роль трубопроводного транспорта в системе нефтегазовой отрасли промышленности чрезвычайно высока. Он является основным и одним из дешевых видов транспорта нефти от мест добычи на нефтеперерабатывающие заводы и экспорт. Магистральные трубопроводы, обеспечивая энергетическую безопасность страны, в тоже время позволяют разгрузить железнодорожный транспорт для перевозок других важных для народного хозяйства грузов.

Трубопроводный транспорт нефти имеет ряд преимуществ по сравнению с водным и железнодорожным транспортом: минимальная дальность транспортировки, ритмичность работы поставщиков и потребителей, наименьшие потери нефти, наибольшая автоматизация технологических процессов.

Протяженность трубопроводных магистралей России постоянно увеличивается, осуществляются модернизация и техническое перевооружение ранее построенных трубопроводов, внедряются современные средства связи и управления, совершенствуются технологии транспорта высоковязких и застывающих нефтей, сооружения и ремонта объектов магистральных нефтепроводов. Все эти изменения должны быть отражены в учебной литературе для студентов специальности 090700 "Проектирование, сооружение и эксплуатация газо-нефтепроводов и газонефтехранилищ". Учебник должен восполнить пробелы в ранее изданных учебных пособиях и обобщить имеющийся и накопленный опыт по проектированию и эксплуатации системы магистральных нефтепроводов России.

В создании учебника участвовали представители Уфимского государственного нефтетехнического университета канд. техн. наук доц. А.И. Гольянов, д-р техн. наук проф.

A.Г. Колпаков, канд. техн. наук доц. Б.Н. Мастобаев, д-р техн. наук доц. Ю.А. Фролов, д-р эконом. наук проф.

B. Г. Карпов и представители Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина д-р техн. наук проф. В.И. Марон, канд. техн. наук доц. С.Н. Челинцев, которыми написаны отдельные главы.

Авторы выражают благодарность ведущим специалистам ОАО "АК "Транснефть" за помощь в подготовке материалов издания.

Учебное пособие «Основные процессы и аппараты нефтегазопереработки» авторов А.И. Владимирова, В. А. Щелкунова и С.А. Круглова было опубликовано в 1996 г. как «краткий справочник» и широко используется студентами при изучении курсов «Процессы и аппараты нефтегазовых технологий» и «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии».

Второе издание дополнено статьями об основных технологических процессах нефтегазопереработки. Значительно обновлен графический материал, включены рисунки, иллюстрирующие современные и перспективные конструкции аппаратов ведущих российских производителей оборудования и ряда зарубежных фирм.

При характеристике основных процессов приводится область их использования; особое внимание обращается на физическую сущность, условия протекания, основные параметры и закономерности процессов. Дается описание устройства, принципа и особенностей работы аппаратов, приведены их основные размеры, рабочие характеристики.

Книга содержит 71 статью, при подготовке которых авторы ставили задачу предельно кратко привести основные сведения о конкретных процессах и аппаратах нефтегазопереработки. Насколько это удалось, могут судить читатели. Приведенные статьи снабжены ссылками на основную и специальную литературу, что позволяет студентам подобрать источник для углубленного изучения интересующего их процесса или аппарата.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 657300 «Оборудование и агрегаты нефтегазового производства», а также для студентов, обучающихся по специальностям 250100 «Химическая технология органических веществ», 250400 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», 320700 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» и 330500 «Безопасность технологических процессов и производств».

Авторы выражают благодарность рецензентам профессору И.Г. Фуксу и профессору В.В. Буткову за полезные советы и замечания и будут признательны читателям за пожелания и рекомендации по улучшению приведенных в учебном пособии материалов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РОССИИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

В настоящее время в России в промышленной разработке находятся многие сотни нефтяных залежей и месторождений. Но качество разрабатываемых объектов существенно отличается от того, какое было 20-30 лет тому назад. Гигантские и крупнейшие нефтяные месторождения в значительной мере уже выработаны. Современные более высокие технические возможности разведки позволили открыть много малопродуктивных нефтяных залежей с трудноизвлекаемыми запасами нефти. Резко возросло число месторождений с теми или иными сложностями для извлечения запасов нефти, а именно: нефтегазовых и нефтегазоконденсатных, имеющих трещиноватые и тре-щиновато-поровые нефтяные пласты и содержащих маловязкую высокопарафинистую нефть, застывающую в поверхностных условиях при положительных температурах, и нефти повышенной, высокой и сверхвысокой вязкости. К тому же многие новые месторождения находятся в отдаленных необжитых районах с суровым климатом: север европейской части России, Западная и Восточная Сибирь, арктический шельф.

За последние 10-20 лет в мире существенно изменилась экономическая ситуация. На мировом рынке резко упала цена на нефть. В нашей стране произошел переход от плановой к рыночной экономике. Государство перестало заниматься производством. Нынешние очень большие налоги на добычу нефти в пользу государства экономически ограничивают бурение новых скважин и продолжение эксплуатации обводненных скважин. Кроме того, возросли требования к охране окружающей среды и соответственно экономические затраты на эту охрану.

В таких более трудных экономических условиях должна проявить себя инновационная активность нефтедобывающих компаний. В этих условиях особенно важной становится инновационная деятельность таких, средних по размеру, коммерческих нефтедобывающих компаний, как Российская инновационная топливно-энергетическая компания (РИТЭК), поскольку она мобильна и осуществляет общеинтересные и экономически рентабельные новации, которые можно будет тиражировать и применять на многих нефтяных месторождениях других нефтяных компаний России.

Для осуществления современных комплексных информационно- и наукоемких технологий необходима высокая квалификация инженеров-нефтяников, поэтому РИТЭК стала спонсором выпуска данного учебника.

Основой почти всех известных применяемых технологий разработки нефтяных месторождений является заводнение, включая сюда влажное и сверхвлажное внутрипластовое горение, а также технологии с использованием углекислоты, различных полимеров, бактерий, волнового воздействия и др. Кроме внутрипластового горения, которое затруднительно из-за большой глубины скважин, а также закачки углекислоты в нефтяные пласты, все другое в том или ином виде, в том или ином объеме на предприятиях РИТЭК уже применяется или запроектировано к промышленному использованию.

Применение тех или иных технологий и их сочетаний в РИТЭК обязательно базируется на удовлетворительном теоретическом и экспериментальном значении их эффективности. Известно, что в нефтяной промышленности теоретические оценки эффективности нескольких новых технологий на практике не подтвердились. Все дело было в неполноте и неточности использованной теории, которая базировалась на модели однородного монолитного нефтяного пласта и не учитывала фактическую значительную зональную и послойную неоднородность нефтяных пластов по проницаемости и наличие многих разделяющих непроницаемых прослоев. Подобные неточности теоретических оценок для РИТЭК как коммерческой компании недопустимы и крайне опасны.

РИТЭК в настоящее время занимается разработкой малопродуктивных нефтяных месторождений, которые были разведаны давно, 10-30 лет назад, но не вводились в разработку потому, что при стандартных, обычно применяемых технологиях и системах осуществление разработки таких месторождений является абсолютно нерентабельным, глубоко убыточным. Этот вывод был подтвержден многими авторитетными научными и проектными институтами. Однако РИТЭК осуществляет разработку именно таких нефтяных месторождений. Поэтому надо было искать нестандартные эффективные технические решения.

Примером такого комплекса технических решений является предложенная РИТЭК система разработки малопродуктивных нефтяных месторождений Татарии, содержащих высоковязкую нефть.

Принятая РИТЭК система разработки месторождений включает в себя:

1. Рациональное объединение различных нефтяных пластов (или горизонтов) в один общий эксплуатационный горизонт (или объект).

По этому способу рациональным считается такое объединение, которое, не снижая нефтеотдачи пластов, обеспечивая достижение и превышение утвержденной нефтеотдачи, приводит к увеличению среднего дебита нефти на скважину.

Именно этот способ применен при объединении нефтяных пластов на Енорусскинском и других нефтяных месторождениях в Татарии.

При объединении пластов обычно наблюдается заметное или даже значительное увеличение общей неравномерности вытеснения нефти закачиваемой водой, но зато одновременно происходит значительное возрастание дебита нефти добывающих скважин, появляется возможность эксплуатировать добывающие скважины до более высокой обводненности. Более того, нередко объединение нефтяных пластов не только является лучшим, но единственно возможным и рентабельным вариантом разработки малопродуктивных нефтяных пластов.

2.    Адаптивную систему разработки нефтяного месторождения из одного или нескольких эксплуатационных объектов, которая соответственно состоит из одной или нескольких взаимно согласованных сеток добывающих и нагнетательных скважин, в свою очередь составленных из равномерных квадратных сеток размещения скважин одного общего стандартного ряда квадратных сеток, и которая включает в себя рассредоточенное заводнение, первоначально проектируемое площадное по обращенной 9-точечной схеме, при разбуривании превращаемое в приконтурное избирательное заводнение и вообще в избирательное заводнение.

На основе достаточной достоверной информации адаптивная система включает в себя разбуривание от центра к периферии, от известного к неизвестному, от лучшего к худшему; позволяет учитывать информацию, получаемую в процессе бурения и исследования скважин; сочетать промышленную разработку нефтяных пластов с их доразведкой.

3. Индивидуальную закачку воды в нагнетательные скважины при необходимом высоком давлении плунжерными насосами, находящимися на кустах скважин рядом с нагнетательными.

Это позволяет оптимизировать совместную работу нагнетательных и окружающих добывающих скважин; повысить пластовое давление выше его первоначального значения и тем самым увеличить дебиты добывающих скважин, но не допустить оттока нефти в законтурную водоносную область и потери там части извлекаемых запасов нефти.

4.    Применение глубокой интенсивной перфорации нефтяных пластов с глубиной перфорационных каналов 50-100 см.

Бурение скважин и освоение нефтяных пластов должны выполняться высококачественно. Бурение проводится на равновесии забойного и пластового давлений или при небольшой депрессии с применением высококачественных стойких долот и качественных буровых растворов, перекрывателей пластов конструкции ТатНИПИнефти для отделения уже пробуренных и освоенных нефтяных пластов, чтобы исключить их последующее засорение.

Глубокая перфорация, примененная сразу на всех нефтяных пластах, позволяет все пласты вместе ввести в полноценную эксплуатацию, а глубокая перфорация, примененная избирательно в отдельных нефтяных слоях и пластах, - ускорить темп отбора из них нефти и устранить их запаздывание с отбором запасов нефти.

В дальнейшем планируется применение “скважин-елок”, т.е. вертикальных скважин, дополненных, как ветвями, несколькими горизонтальными каналами диаметром до 100 мм, протяженностью до 20-60 м, радиусом закругления (перехода от вертикали к горизонтали) менее 5 м. Эти скважины будут иметь увеличенную в 2-3 раза производительность, такую же, как нынешние обычные горизонтальные скважины, но, кроме того, обладать высокой успешностью и надежностью.

5.    Применение 6-дюймовых эксплуатационных колонн вместо обычно применяемых 5-дюймовых.

Это существенно облегчает исследования, эксплуатацию и ремонт скважин и значительно увеличивает их долговечность. Благодаря надежности работы всей системы скважин возрастает текущая и суммарная добыча нефти.

6.    Чередующуюся закачку в нагнетательные скважины воды и небольшой части (около 5-10 К%) добытой высоковязкой нефти.

Закачка воды в нагнетательные скважины ведется вплоть до ее появления в окружающих добывающих скважинах, после чего нагнетательные скважины-обводнительницы переводятся на чередующуюся закачку воды и небольшой части добытой высоковязкой нефти.

Первый эффект - резкое снижение соотношения подвижностей вытесняющего агента и нефти. Так, при чередовании воды и 5 К% дегазированной добытой высоковязкой нефти соотношение подвижностей становится около 10; а при чередовании воды и 10 К% дегазированной добытой высоковязкой нефти - около 5.

Второй эффект - полезное проявление нестационарности фильтрации жидкостей, уменьшающее отрицательное влияние послойной неоднородности по проницаемости нефтяных пластов.

При нагнетании маловязкой воды размеры закачки воды в нагнетательные скважины могут намного превышать размеры отбора жидкости из окружающих добывающих скважин. Возникает ситуация, близкая к той, когда есть закачка, но нет отбора. Наоборот, при нагнетании высоковязкой нефти отбор жидкости может намного превышать закачку нефти. Возникает ситуация, близкая к той, когда есть отбор, но нет закачки.

Очень важно, что в период медленной закачки высоковязкой нефти в нагнетательных скважинах отсутствуют межпластовые перетоки, и поэтому достаточно полно проявляется положительный эффект нестационарности.

В запроектированном способе, когда закачка порций высоковязкой нефти в нагнетательные скважины начинается после начала обводнения окружающих их добывающих скважин, чередующаяся закачка увеличивает не только начальные извлекаемые запасы нефти, но и текущую добычу нефти.

Чередующаяся закачка по многим показателям значительно эффективнее полимерного заводнения. При применении чередующейся закачки не только уменьшается, но вообще снимается острая проблема неэффективности разработки залежей высоковязкой нефти.

7. Заводнение с широкой (но рациональных размеров) фронтальной оторочкой газа, взятого из газовых залежей с природным высоким давлением.

Сразу отметим, что такое заводнение легко можно реализовать на малопродуктивных нефтяных месторождениях Западной Сибири.

Очень важно соединить преимущество газа (высокую вытесняющую способность жирного газа) с преимуществами воды - с ее значительно более высокой вязкостью, удобством, недефицит-ностью и дешевизной. Газ обеспечивает высокий коэффициент вытеснения, а вода приводит к высокому коэффициенту охвата вытеснением нефтяных пластов. Кроме того, газ в период его закачки обеспечивает значительное увеличение дебитов нефти добывающих скважин.

8. Применение пластоперекрывателей и дополнительных 4дюймовых эксплуатационных колонн для закрытия уже разработанных высокообводненных нефтяных пластов.

Это устраняет отрицательное влияние высокой неоднородности эксплуатационных объектов, дополнительно возникшей при объединении многих нефтяных пластов.

9. Стационарный электронагрев в добывающих скважинах нефтяных пластов, содержащих высоковязкую нефть.

Температура около 100 К°С примерно в 4 раза выше первоначальной пластовой температуры. А повышение температуры в 4 раза снижает вязкость пластовой нефти в 64 раза, что позволяет резко уменьшить фильтрационное сопротивление ближайшей прискважинной зоны нефтяных пластов, заметно повысить коэффициент продуктивности и дебит нефти добывающих скважин. Кроме того, это средство борьбы с асфальтосмолопарафиновыми отложениями.

10.    Постоянный высокоточный контроль за работой добывающих и нагнетательных скважин (контроль за значением дебита жидкости и нефти, обводненности, закачки воды, забойного и пластового давлений и других параметров).

Точность контроля должна позволять принимать инженерные решения по оптимизации работы добывающих и нагнетательных скважин, по своевременному их ремонту и выключению из работы, а это значит, что точность должна быть достаточно высокой.

На нефтяных месторождениях по их эксплуатационным объектам необходимо постоянно осуществлять мониторинг извлечения запасов нефти. Для этого по скважинам, по их совокупностям, по участкам и в целом по эксплуатационным объектам надо строить по фактическим данным зависимости дебита нефти и жидкости скважин от накопленного отбора нефти и жидкости, прогнозировать возможные накопленные отборы нефти, сравнивать эти значения с геологическими запасами нефти и выявлять места концентрации невовлеченных в разработку начальных извлекаемых запасов нефти.

При проектировании и анализе разработки нефтяных месторождений, нефтяных залежей и площадей применяется адаптивная математическая модель, которая на первом этапе проектирования является вероятностной, поскольку множество запроектированных, но еще не пробуренных (несуществующих) скважин имеют общую вероятностную характеристику (среднее значение и функцию распределения: коэффициента продуктивности, эффективной толщины, дебита нефти, закачки воды и закономерности обводнения), но в дальнейшем по мере бурения, исследования и эксплуатации скважин модель становится адресной и все более и более детерминированной, поскольку у конкретных скважин оказываются конкретные значения параметров (коэффициента продуктивности, эффективной толщины, эксплуатируемых запасов нефти, закономерности обводнения и суммарного отбора нефти). Важно, что эти две крайние модели, вероятностная и адресная детерминированная, представляются одними и теми же уравнениями разработки нефтяной залежи, у которых по мере разбуривания и эксплуатации залежи уточняются параметры (дебит нефти, начальные извлекаемые запасы нефти, показатель неравномерности вытеснения нефти, коэффициент различия физических свойств нефти и вытесняющего агента и др.).

В разработке нефтяных месторождений в конечном счете все сводится к экономике: разработка должна быть экономически эффективной. Однако экономический взгляд должен быть не только на финише проектирования, но присутствовать в ходе всего проектирования и пронизывать все звенья системы разработки. При проектировании применяется критерий рациональности, который учитывает цену нефти и налоги, продуктивность нефтяных пластов, свойства фильтрующихся флюидов, геометрию размещения добывающих и нагнетательных скважин и применяемые забойные давления, осуществляемые капитальные и текущие экономические затраты, плату за используемый банковский кредит и др. Выбор рациональной плотности сетки скважин делается с учетом всех указанных выше факторов.

ОБ ИЗДАНИИ УЧЕБНИКА

Отметим, что осуществление современных комплексных информационноемких и наукоемких технологий разработки нефтяных месторождений, особенно малопродуктивных, крайне сложных и недостаточно разведанных, в частности, запроектированных и применяемых РИТЭК, требует высокой квалификации инженеров-нефтяников.

Важным условием подготовки высококвалифицированных специалистов в области разработки нефтяных месторождений является наличие учебника для студентов высших учебных заведений нефтегазового профиля. Такой учебник “Разработка нефтяных месторождений”, соответствующий современному уровню знаний, был создан известным ученым нашей страны в области механики нефтегазоносных пластов и разработки нефтяных месторождений, доктором технических наук, профессором Юрием

Петровичем Желтовым и выпущен в свет издательством “Недра” в 1986 г. Первое издание учебника давно разошлось и стало библиографической редкостью. Нынешнее второе издание существенно переработано и дополнено.

Профессор Ю.П. Желтов в течение 12 лет читал лекции по курсу “Разработка нефтяных месторождений” в Государственной академии нефти и газа (ГАНГ) им. И.М. Губкина и, будучи заведующим кафедрой разработки и эксплуатации нефтяных месторождений, а затем профессором этой кафедры, активно участвовал в подготовке современной программы и учебного плана по курсу для высших учебных заведений нефтегазового профиля нашей страны.

Выход в свет этого учебника внесет существенный вклад в подготовку инженеров и научных работников нефтегазовых отраслей промышленности.

Генеральный директор РИТЭК, действительный член Академии горных наук, профессор    В.И. Грайфер

Директор научно-производственного центра по проектированию и совершенствованию систем разработки нефтяных месторождений, член-корреспондент Российской академии

естественных наук, профессор    В.Д. Лысенко

ПРЕДИСЛОВИЕ

Качественный ремонт газовых скважин — одно из главных условий увеличения добычи этого сырья. Квалифицированное и эффективное проведение этих работ, умелое использование современного комплекса оборудования, материалов и технологии требуют знаний работниками участков подземного и капитального ремонта скважин.

Учитывая разрозненность имеющейся информации, авторы поставили перед собой задачу обобщить и систематизировать изложение всего комплекса вопросов, связанных с технологией ремонта газовых скважин. При написании данной работы авторы использовали накопленный опыт на промыслах предприятия Кубань-газпром. Особое внимание уделено подготовке скважин и ремонту: приготовлению бурового раствора, химических реагентов, утяжелению растворов и глушению скважин.

Подробно рассмотрены вопросы технологии ремонта скважин. Учитывая то обстоятельство, что бригады капитального ремонта работают в открытых скважинах, где опасность выброса велика, авторами включен специальный раздел "Противовыбросовое оборудование и условия его применения". Рассмотрены конструкции ловильного инструмента, приспособлений и устройств для ликвидации аварий. Описаны способы ликвидации аварий.

В книге изложены вопросы, относящиеся к повышению эксплуатационных характеристик насосно-компрессорных труб при работе с ними, а также к смазкам для резьбовых соединений. Авторы выражают глубокую благодарность доктору техн. наук проф. А.И. Булатову и канд. техн. наук Д.Ф. Матвееву, сделавшим ряд ценных замечаний.

еёааеОО^ай

е ё а а e UO q а О I

дАТЁ'Ё! S =    ;    2S; 1 + S; 1 + 2S; I^s; A^2s; A^2s - 1;

Ы А1ГЛ1ЁЁ -^pL OD 0,3 %6 7 zT

Коэффициенты сверхсжимаемости z для природных тазов (углеводородов) Относительная плотность газа по воздуху р = 0,56