ПЛАСТОВАЯ ЭНЕРГИЯ. ИСТОЧНИКИ ПЛАСТОВОЙ ЭНЕРГИИ

Пластовая энергия представляет собой совокупность механической и тепловой энергии, которой обладают пласт-коллектор и заключенный в нем флюид — нефть, газ или вода — находящиеся в напряженном состоянии под действием горного и пластового давления. Именно эта энергия заставляет полезное ископаемое фильтроваться в пористой среде и двигаться к забоям добывающих скважин, а при выходе на поверхность — подниматься по стволу. Без наличия пластовой энергии добыча углеводородов была бы невозможна, поэтому понимание природы ее источников и закономерностей расходования имеет ключевое значение для проектирования разработки месторождений. Актуальность темы обусловлена тем, что эффективность использования пластовой энергии напрямую определяет конечный коэффициент нефтеотдачи, а значит — экономическую целесообразность разработки залежи.

Цель работы - систематизировать современные представления об источниках пластовой энергии, проанализировать механизмы их проявления и оценить влияние различных видов энергии на режимы работы залежей и показатели нефтеотдачи.

Говоря об источниках пластовой энергии, важно понимать, что в реальных условиях залежи эти источники почти никогда не действуют изолированно. Движение нефти и газа к скважинам обычно обеспечивается одновременным проявлением нескольких видов энергии, хотя в зависимости от геологического строения и условий эксплуатации тот или иной вид может становиться преобладающим. Основными источниками пластовой энергии принято считать: энергию напора пластовых вод (краевых или подошвенных), энергию расширения свободного газа (газовой шапки), энергию расширения газа, растворенного в нефти, энергию упругости сжатых пород и жидкостей, а также гравитационную энергию — силу тяжести самой нефти.

Энергия напора пластовых вод проявляется в тех случаях, когда залежь имеет гидродинамическую связь с законтурной водонапорной системой или с поверхностными источниками питания . Вода, находящаяся под давлением, как бы вытесняет нефть из порового пространства, продвигая ее к скважинам. Запасы этого вида энергии могут быть практически неограниченными, если контур питания достаточно велик и хорошо сообщается с залежью, однако при интенсивном отборе давление в пласте неизбежно падает, и напорный эффект ослабевает.

Энергия расширения газа, как свободного, так и растворенного, является одним из наиболее мощных движущих факторов. В залежах с газовой шапкой активную роль играет энергия расширения свободного газа, который, занимая сводовую часть структуры, давит на нефтяную оторочку и вытесняет нефть в сторону скважин. Еще более универсальным источником является растворенный в нефти газ. При снижении пластового давления ниже давления насыщения газ начинает выделяться из нефти, расширяться и выталкивать нефть из пор. Чем больше газа растворено в нефти, тем выше начальный запас пластовой энергии, и тем дольше залежь может разрабатываться за счет этого источника.

Энергия упругости сжатых пород и жидкостей, хотя и проявляется всегда, обычно играет второстепенную роль, за исключением условий, когда залежь замкнута и не имеет активного водонапорного питания. При снижении пластового давления порода и флюид, находившиеся под высоким давлением, расширяются, высвобождая накопленную упругую энергию. Этот эффект особенно заметен в упругих водонапорных режимах, где энергия сжатия воды и породы позволяет поддерживать некоторое время приток нефти даже при отсутствии прямого напора. Гравитационная энергия, обусловленная силой тяжести нефти, становится заметной только на поздних стадиях разработки, когда другие источники уже истощены, и нефть стекает к забоям под собственным весом.

В рамках настоящего исследования мы проанализировали, как распределяется вклад различных источников в общий энергетический баланс пласта в зависимости от типа залежи. Для этого были обобщены литературные данные и выделены четыре основных сценария: залежи с активным водонапорным режимом (преобладает энергия пластовой воды), газонапорные залежи с газовой шапкой (преобладает энергия свободного газа), залежи, разрабатываемые на режиме растворенного газа (преобладает энергия расширения газа, выделяющегося из нефти), и залежи на поздней стадии с гравитационным режимом (преобладает сила тяжести). Полученные данные систематизированы в таблице 1, которая отражает доминирующий источник энергии, его механизм действия и характерное значение коэффициента нефтеотдачи для каждого режима.

Таблица 1.

Источники пластовой энергии и их вклад в различных режимах работы залежей

Как видно из таблицы, наиболее эффективными с точки зрения конечной нефтеотдачи являются водонапорный и газонапорный режимы, поскольку они обеспечивают наиболее полное вытеснение нефти из пласта. Режим растворенного газа дает средние показатели, а гравитационный режим является наименее эффективным, что объясняет стремление нефтяников поддерживать пластовое давление искусственным заводнением.

Для наглядной демонстрации зависимости нефтеотдачи от режима работы залежи была построена диаграмма 1, которая показывает, как меняется коэффициент нефтеотдачи в зависимости от того, какой источник пластовой энергии является доминирующим. Из диаграммы отчетливо видно, что переход от гравитационного режима к водонапорному позволяет увеличить коэффициент нефтеотдачи в 3–5 раз, что подтверждает важность поддержания пластового давления и выбора оптимальной системы разработки.

Диаграмма 1.

Зависимость коэффициента нефтеотдачи от режима работы залежи

Важным аспектом является вопрос восполнения запасов пластовой энергии. При эксплуатации месторождения энергия расходуется на перемещение флюидов и преодоление сил сопротивления — трения о породу, капиллярных сил и внутреннего трения. Если не принимать мер, пластовое давление будет неуклонно падать, что приведет к снижению дебитов и переходу на менее эффективные режимы. Однако существуют естественные и искусственные способы восполнения энергии. Естественное восполнение происходит за счет притока воды из законтурной области, особенно при наличии хорошей гидродинамической связи и практически неограниченного контура питания. Искусственное поддержание пластового давления осуществляется путем нагнетания в пласт воды, газа или других вытесняющих агентов — это широко применяемая практика заводнения, позволяющая существенно увеличить нефтеотдачу и продлить срок рентабельной эксплуатации скважин.

Подводя итог, можно сказать, что пластовая энергия — это сложная, многофакторная система, определяющая динамику движения углеводородов в недрах. Ее источниками служат напор пластовых вод, расширение газа, упругость пород и жидкостей, а также сила тяжести. На практике эти источники действуют совместно, но в зависимости от геологических условий один из них может становиться главным, формируя тот или иной режим работы залежи. От выбора режима и способа поддержания пластового давления напрямую зависит коэффициент нефтеотдачи, а значит, и экономическая эффективность разработки. Дальнейшее развитие технологий, вероятно, будет связано с совершенствованием методов поддержания пластового давления, разработкой новых вытесняющих агентов и более точным прогнозированием энергетического баланса залежей на основе цифрового моделирования.