Как и обещал, опишу вкратце основные способы добычи нефти. Нефть находится в пластах, которые сложены пористыми породами - коллекторами. Именно в коллекторах накапливается нефть. Второе обязательное условие - породы коллекторы должны сверху закрыты непроницаемыми для нефти и газа породами-покрышками, иначе газ улетучится, а нефть со временем превратится в мальту, а затем в битум.
Чтобы добыть нефть - надо пробурить скважину. Она входит в продуктивный пласт, и тут начинается самое интересное - нефть эту надо как-то поднять на дневную поверхность.
Есть три основных способа добычи нефти(эксплуатации скважин) - это фонтанный и механизированный (насосный), а в некоторых случаях используется газлифтный, при котором не используется насос, но приток энергии извне необходим. Поэтому его можно назвать промежуточным между фонтанным и механизированным способом добычи.
Фонтанный способ - заключается в использовании внутренней энергии месторождения
Когда месторождение новое, молодое, в нем, как правило, нефть находится под высоким давлением. Давление внутри пласта называется пластовым, а давление внутри скважины - забойным. Как правило, это показатели совпадают на остановленной скважине, на работающей скважине создается депрессия на пласт - забойное давление ниже пластвого. А на заглушенной наоборот, репрессия на пласт, забойное выше пластового. Если пластовое давление достаточно высокое, оно способно выдавить нефть наружу, преодолевая сопротивление атмосферного давления. В этом случае начинается нефтяной фонтан.
Вот так это выглядело в начале 20 века на Биби-Эйбате в Азербайджане
Достаточно его обуздать и пустить нефть по трубе. Если этого не сделать, то фонтан вызовет настоящую техногенную катастрофу, которые были не раз.
Что же является движущей силой нефти в пластовых условиях?
Этих сил несколько:
1. Режим газовой шапки
Часто месторождения, особенно антиклинального (куполообразного) -типа, в верхней части месторождения имеет участок, заполненный газом - газовая шапка
Газ, как известно, способен хорошо сжиматься. Когда скважина начинает работать, то газ начинает расширяться и это является движущей силой, которая двигает нефть по трубам скважины на поверхность.
При этом месторождение эксплуатируют так, чтобы газ из шапки не выходил раньше времени, он входит государственный баланс запасов и его добывают после извлечения нефти.
2. Режим растворенного газа
Кроме газовой шапки, газ растворен в нефти, и чем выше давление - тем его больше растворено. Объем растворенного газа к объему или массе нефти в стандартных условиях называется газовым фактором (ГФ). Например, если ГФ равен 50м3/тонну, то значит в одной тонне нефти растворено 50 кубических мтеров газа (в нормальных условиях).
При снижении давления газ начинает подниматься в виде пузырьков и увлекает за собой нефть. Главное, чтобы их количество было достаточным, а пузырьки достаточно крупными, иначе будет просто барботаж газа без подъема жидкости.
Газ, который добывается вместе с нефтью, называется попутным. Это обычный природный газ, но более жирный, то есть в нем больше ШФЛУ (широкая фракция легких углеводородов то есть повышенное содержание пропана и бутана) а а также газового конденсата (углеводородов от пентана и выше). Это ценное сырье для нефтехимической промышленности, а также источник пропан-бутановой смеси, используемой как газомоторное топливо.
3. Водонапорный режим.
При данном режиме основной движущей силой, вытесняющей нефть к забоям эксплуатационных скважин, является напор краевых вод. На схеме выше видно, что месторождение снизу содержит воду, это может быть реликтовая вода, оставшаяся с момента появления месторождения, а может быть постоянная их подпитка законтурных вод месторождения, т. е. связь с дневной поверхностью, откуда и поступает вода (талая, дождевая и пр.).
Это наиболее эффективный режим работы месторождения, при его эффективном использовании можно достигнуть огромного процента извлекаемой нефти из пласта. Но долго на нем работать можно только при одном условии - воду постоянно закачивают извне с помощью системы нагнетательных скважин (система поддержания пластового давления), иначе энергия быстро заканчивается.
4. Упруговодонапорный
При этом режиме вытеснение нефти происходит под действием упругого расширения самой нефти, окружающей нефтяную залежь воды и скелета пласта. Т. е. под влиянием налегающих пород нефть, жидкость, и скелет горных пород хоть несильно, но сжимаются. Сама по себе упругость жидкости и пласта очень мала, но при значительных размерах водонапорных систем и больших пластовых давлениях в результате расширения жидкости и уменьшения объема пор (трещин) из пласта в скважины дополнительно вытесняется большое количество жидкости. Упругие свойства жидкости и пласта характеризуются коэффициентами сжимаемости соответственно жидкости и пласта.
Есть еще гравитационный режим, но его энергии недостаточно, чтобы поднять нефть наружу.
Сколько может фонтанировать скважина?
Все зависит от месторождения и способа эксплуатации. Как правило, чем моложе месторождение - тем больше в неф скважин работают фонтаном. Но энергия быстро истощается, буквально в течение нескольких месяцев или лет, после чего волей-неволей приходится прибегать к механизированному способу добычи, что стоит всегда дороже. Но есть и исключения, так казахстанский Тенгиз минимум 21 год (1991-2010 годы) эксплуатировался фонтанным способом. Возможно, что нефть фонтаном идет и сейчас, давно уже не встречал информацию о нем.
Я самолично всего несколько раз работал на скважинах, которые работают фонтаном. Одна из них была недалеко от Новосергиевки, там была проведена ошибка при врезке бокового окна, которое не загерметизировали, и мы недели две спускали трубу, так как буквально при спуске нескольких труб начинался выброс. Планировали спустить электроцентробежный насос - но так и не смогли, спустили воронку, и она не один месяц работала фонтаном
Кроме того, фонтаном работали новые скважины на старых месторождениях. Но, как правило, их не подключают к общему промысловому трубопроводу, потому что в нем есть давление, обычно порядка 20-25 атмосфер. Фонтан же тавое давление не создает, поэтому нефть по нему двигаться не будет
В таких случаях ставят газосепаратор, в котором газ отделяется от жидкости, нефть собирается в емкость и вывозится, а газ сжигается. Это, конечно, варварская трата ресурсов, но в некоторых случаях дешевле сжечь попутный газ и заплатить штраф, чем его собрать и использовать.
Что происходит после того, как фонтан иссяк?
Тут остается только одно - перейти к насосному способу добычи. Но бывают ситуации, что сразу перейти к этому проблематично. Например, на газонефтяных месторождениях. Глубинные насосы бывают объемные, преимущественно плунжерного типа, и центробежные. Если газовый фактор большой, то происходит их завоздушивание, точнее загазовывание, то есть рабочие полости заполняются газом и они работают вхолостую, в результате чего центробежные насосы быстро сгорают.
Чтобы этого не допустить ставят газосепаратор на насосную установку, и он удаляет свободный газ. Другой способ - использование диспергатора, предназначенного для измельчения газовых включений в пластовой жидкости, подготовки однородной газожидкостной смеси и подачи ее на вход погружного центробежного насоса.
Но если газовый фактор велик - то и это не помогает. Поэтому в таких случаях прибегают к газлифтному способу эксплуатации, при котором не нужно спускать насос, и этот способ позволяет полнее использовать оставшуюся в пластах внутреннюю энергию растворенного газа.
По колонне труб газ с поверхности подается к башмаку, где смешивается с жидкостью, закачиваемый газ добавляется к газу, выделяющемуся из пластовой жидкости, образуя газожидкостную смесь, такой плотности, при которой имеющегося давления на забое скважины достаточно для подъема жидкости на поверхность по подъемным трубам.
В следующих частях будет рассмотрен принцип действия скважинных глубинных насосов.