Физические основы добычи нефти


И.Ш. САЙФУЛЛИН
В.В. ТЕТЕЛЬМИН
В.А. ЯЗЕВ




ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ДОБЫЧИ НЕФТИ










                      СЕРИЯ «Нефтегазовая инженерия»








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

Доёгопруд^|й
2013

УДК 547.665.9
Т 37
БК ³⁵.⁵¹⁴                         Рецензенты:
Заведующий кафедрой машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов Сибирского федерального университета, профессор Кондрашов Пётр Михайлович;

Академик РАН, доктор технических наук, профессор Ганиев Ривнер Фазылович




     Сайфуллин И.Ш., Тетельмин В.В., Язев В.А.

Т 37 Физические основы добычи нефти. Учебное пособие / Сайфуллин И.Ш., Тетельмин В.В., Язев В.А. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 328 с.: ил. (Серия «Нефтегазовая инженерия»).
        ISBN 978-5-91559-145-4

        Учебное пособие содержит описание физико-механических свойств осадочных пород, геодинамики земной коры и физики нефтяного пласта. Рассмотрены звенья глобального цикла углерода, концепция образования углеводородов, состав и свойства нефти. Приводятся основные реологические свойства нефти и нефтепродуктов, а также анализ течения «неньютоновской» нефти в трещинах горных пород.
        Рассмотрены гидродинамические методы исследования скважин и особенности разработки нефтяных месторождений. Дается систематическое изложение реологических аспектов разработки месторождений нефти. Описаны способы эксплуатации добывающих скважин и принципы расчета их показателей. Дается описание особенностей добычи нефти на морском шельфе.
        Для научных и инженерных работников нефтегазовой отрасли, студентов и преподавателей геофизических и нефтегазовых специальностей.

БК 35.514
УДК 547.665.9



ISBN 978-5-91559-145-4

             © 2013, Сайфуллин И.Ш., Тетельмин В.В., Язев В.А.
© 2013, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

  Оглавление




   ВВЕДЕНИЕ....................................................7

   Глава 1. ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ...............................................9

           1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов .......................................9
           1.2. Транснациональные нефтегазодобывающие компании.......................................17
           1.3. Первые нефтяники России.......................23
           1.4. История первого барреля нефти ................28

   Глава 2. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ И НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ГЕОЛОГИИ...................................................31

           2.1. Геосферы Земли................................31
               2.1.1. Планета Земля ..........................31
               2.1.2. Земная кора — литосфера.................35
               2.1.3. Биосфера Земли..........................39
           2.2. Геохронологическая шкала — геологическое время..........................................41
          2.3. Физико-механические свойства осадочных пород...............................................43
               2.3.1. Разновидности осадочных пород...........43
               2.3.2. Плотность, упругость и прочность пород..45
               2.3.3. Классификация горных пород по твердости.50
               2.3.4. Пористость и проницаемость осадочных пород.52
               2.3.5. Теплофизические свойства и тепловой режим горных пород ...............................59
               2.3.6. Горное и пластовое давление.............61
           2.4. Геодинамика земной коры.......................63
               2.4.1. Тектоника литосферных плит..............63
              2.4.2. Геодинамика земной коры и добыча углеводородов ..................................67
           2.5. Складкообразование и типы складок.............73
           2.6. Формирование залежей углеводородов............75

Оглавление

           2.7.  Физика нефтяного пласта........................82
               2.7.1. Структурные модели продуктивного пласта...82
               2.7.2. Геолого-промысловая характеристика продуктивного пласта..........................85
               2.7.3. Условия залегания флюидов в продуктивных пластах ......................................90
               2.7.4. Упругий запас флюидов в продуктивном пласте 98
               2.7.5. Капиллярно-реологические эффекты в пористом пласте....................................... 102
           2.8. Поиск и разведка месторождений углеводородов.......................................106
    Глава 3. ОБРАЗОВАНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ, ИХ СОСТАВ И СВОЙСТВА.................................................113
           3.1.  Углерод и формы его нахождения на Земле........113
           3.2.  Основные циклы углерода на Земле..............116
               3.2.1. Общий глобальный цикл углерода.......... 116
               3.2.2. Круговорот вещества и энергии в биосфере.. 118
           3.3.  Концепция образования углеводородов...........121
           3.4.  Состав нефти..................................124
               3.4.1. Групповой состав нефти ................. 124
               3.4.2. Фракционный состав нефти................ 129
               3.4.3. Неуглеводородные составляющие нефти..... 131
               3.4.4. Нефть как коллоидно-дисперсная система.... 133
           3.5.  Водонефтяные дисперсные системы...............137
           3.6.  Газонефтяные дисперсные системы...............139
           3.7.  Физические свойства нефти.....................142
               3.7.1. Плотность и молекулярная масса нефти.... 142
               3.7.2. Характерные температуры нефти и нефтепродуктов............................... 144
               3.7.3. Вязкость и поверхностное натяжение нефти.. 146
               3.7.4. Теплофизические свойства нефти.......... 148
    Глава 4. РЕОЛОГИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ...................151
           4.1.  Основные реологические модели текучих сред.....151
               4.1.1. Реологические модели Гука, Ньютона и Сен-Венана................................... 151
               4.1.2. Реологические модели Максвелла и Фойгта—Кельвина. Релаксация напряжений......... 157
               4.1.3. Реологическая модель Бингама. Тиксотропия. 161
           4.2.  Техника реометрии текучих сред................163
           4.3. Реологические свойства нефти и нефтепродуктов .171
               4.3.1. Нефть как вязкопластичная жидкость...... 171
               4.3.2. Реологические свойства нефти............ 174

Оглавление

5

               4.3.3. Реологические свойства нефтепродуктов. 179
               4.3.4. Способы улучшения реологических свойств нефти........................................ 183
           4.4. Особенности течения вязкопластичных жидкостей в трещинах.............................187
               4.4.1. Кинетика поступательного течения вязкопластичной жидкости в трещине........... 187
               4.4.2. Радиальное течение вязкопластичной жидкости в трещине................................... 193
    Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕСТОРОЖДЕНИИ УГЛЕВОДОРОДОВ...........................................200
           5.1. Режимы работы залежей углеводородов.........200
           5.2. Эксплуатационные объекты и системы их разработки....................................206
           5.3. Гидродинамические методы исследования скважин..........................................208
               5.3.1. Цели исследования скважин и пластов...208
               5.3.2. Исследование скважин на приток при установившихся режимах фильтрации........209
               5.3.3. Исследование скважин при неустановившихся режимах фильтрации...........................212
           5.4. Особенности разработки нефтяных месторождений ...................................213
           5.5. Особенности упругого режима работы пласта...218
           5.6. Добыча тяжелой нефти и битумов .............222
           5.7. Искусственные методы воздействия на нефтяные пласты...............................225
           5.8. Нормы отбора углеводородов из скважин и пластов........................................231
           5.9. Реологические аспекты разработки месторождений нефти .............................233
               5.9.1. Режим установившейся фильтрации нефти в пласте.....................................233
               5.9.2. Приток вязкой нефти к галерее в упругом режиме фильтрации............................236
               5.9.3. Приток вязкой нефти к скважине в упругом режиме фильтрации............................239
               5.9.4. Приток вязкопластичной нефти к скважине в жестком и упругом режимах фильтрации.......242
               5.9.5. Образование застойных зон в пласте при добыче нефти........................................244
               5.9.6. Увеличение нефтеотдачи за счет улучшения реологических свойств пластовых флюидов .....246

Оглавление

   Глава 6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН................251
          6.1. Конструкции скважин..........................251
          6.2. Заканчивание и освоение скважин..............262
          6.3. Подготовка скважины к эксплуатации...........268
          6.4. Схема обустройства месторождений нефти.......272
          6.5. Эксплуатация нефтедобывающих скважин.........280
              6.5.1. Фонтанный способ эксплуатации скважин.280
              6.5.2. Газлифтный способ эксплуатации скважин.285
              6.5.3. Насосный способ эксплуатации скважин...287
          6.6. Принципы расчета показателей добывающих скважин...........................................291
              6.6.1. Фонтанирующие скважины.................291
              6.6.2. Газлифтные скважины....................295
              6.6.3. Скважины с электроцентробежными насосами.... 296
              6.6.4. Скважины со штанговыми насосами .......298
          6.7. Промысловая подготовка нефти ................300
          6.8. Инженерное обеспечение работ на море.........303

   ГЛОССАРИЙ................................................309

   Приложение
   РАЗМЕРНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В КНИГЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН..............................323

   ЛИТЕРАТУРА..............................................325

                           У нефти всегда есть желание подняться из земных глубин на поверхность. Человек ей в этом помогает.
                                  Определение нефтегазового дела

   Введение
   Вот уже полтора столетия нефть обеспечивает цивилизации быстрое развитие. Газ всегда сопутствует добыче нефти, но его промышленная добыча началась около 60 лет назад. Нефть и природный газ занимают главенствующее положение в экономике большинства стран. В погоню за «черным золотом» вовлечены практически все промышленно развитые страны. Чтобы обезопасить свою экономику эти страны стремятся застолбить поставки нефти и газа из различных регионов мира. Можно сказать, что именно нефть, стирая границы, положила начало процессу глобализации: вначале нефть объединила людей в их стремлении жить без лучины при ярком свете керосиновой лампы, затем она стала незаменимой при получении моторного топлива и синтезе новых продуктов и материалов.
      Нефть — это естественное звено в глобальном углеродном цикле. История происхождения нефти неразрывно связана с историей Земли и представляет собой картину того, как развивался органический мир в целом. Углеводороды и сейчас образуются в земных недрах и в донных отложениях Мирового океана. Процесс этот непрерывный, но очень медленный, а человек извлекает нефть из недр в миллион раз интенсивнее темпов ее образования. У нефти тоже есть свой век, который измеряется десятками и сотнями миллионов лет. Часть нефти выходит на дневную поверхность и теряется, часть поедается бактериями, часть переходит в битум и асфальт, часть разгружается в океаны и разносится водой, часть сгорает при соприкосновении с горячей магмой и извержениях вулканов.
      Производственно-технологическая структура нефтегазового комплекса такова, что разведка, добыча, транспортировка и переработка углеводородов являются одинаково важными звеньями этого комплекса. Самые умеренные подсчеты показывают, что объем оставшейся в недрах нефти на отработанных месторождениях, по крайней мере, равен объему нефти, извлеченной на поверхность.

Введение

   Поэтому нельзя рассматривать миллиарды тонн оставшейся в недрах нефти безвозвратно утерянными — следует совершенствовать технологию добычи той нефти, которая в настоящее время является труднодоступной для извлечения. Из российских копаний наибольших успехов в этом направлении добилась вертикально-интегрированная компания ОАО «Татнефть».
       В XXI в. в мире ежегодно добывается около 4 млрд т нефти. В России к2030 г. ежегодная добыча нефти достигнет 530 млн т. В этой важной области человеческой деятельности используются многие прогрессивные решения:
       • бурятся горизонтально-разветвленные скважины;
       •    используются вторичные и третичные методы повышения нефтеотдачи пластов;
       • увеличивается добыча тяжелой и битумной нефти;
       •    эксплуатируются морские месторождения с применением подводного оборудования и подводных трубопроводов.
       В настоящее время около 30 % нефти и газа добывается возле побережий и на морском шельфе пятидесяти стран. Решение сложных технических и практических задач, возникающих при бурении нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин, невозможно без учета физико-механических свойств нефти и горных пород. При этом на всех этапах обращения с нефтью: от обустройства месторождений до бензоколонки — необходимо уделять серьезное внимание вопросам охраны окружающей среды.
       Чтобы месторождение поступило в разработку, геологи и геофизики должны определить его параметры, бурильщики и специалисты по буровым растворам должны пробурить скважины и успешно вскрыть нефтяной горизонт, затем технологи по добыче должны преодолеть и решить множество вопросов, связанных с извлечением нефти на поверхность. Далее нефтепереработчики должны получить из нефти необходимые технические продукты, а инженеры-транспортники должны обеспечить эффективную подачу и распределение нефтепродуктов к месту их потребления. Все вышеперечисленные процессы являются составляющими нефтегазового дела. В настоящей книге рассмотрены основные физические процессы, сопутствующие разработке месторождений и добыче нефти.

  Глава 1


  ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ
  ДОБЫЧИ УГЛЕВОДОРОДОВ


   1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов

   Считается, что нефтедобыча как самостоятельная отрасль промышленности берет свое начало с 1859г., когда первооткрыватель Эдвин Дрейк в штате Пенсильвания (США) из скважины глубиной 23 м получил первую американскую нефть. Следует отметить, что задолго до этого события нефть в относительно небольших количествах добывалась и перерабатывалась в «осветительное масло» в России, Румынии и Шлиции. Поэтому невозможно назвать конкретную дату появления нефтедобычи как мировой отрасли. Можно условно считать, что в первом десятилетии XXI в. исполнилось 150 лет мировой нефтедобывающей промышленности.
     В табл. 1.1 даются сведения о мировой нефтедобыче за годы ее существования, а также сравнительные данные по двум основным нефтедобывающим странам: России и США. Более 100 лет первое место по годовым уровням добычи занимали США. Россия с самого начала была второй. В 1974 г. Советский Союз вышел на первое место по добыче нефти. На уровень добычи в один миллион тонн мир вышел в 1871 г., на уровень 1 млрдт—в 1960 г. В 1979 г. мировая нефтедобыча достигла рекордно высокой отметки, преодолев цифру в 3 млрд т К2010 г. ежегодный уровень нефтедобычи превысил 4,0 млрд т.
     Бурное развитие мировой нефтедобычи было вызвано стимулирующим проникновением нефтепродуктов в различные области промышленности, транспорта и быта. К этому следует добавить быстрый рост числа нефтедобывающих стран (табл. 1.2). К началу 1920 г. во всем мире было 24 нефтедобывающих страны, наиболее крупные из которых США, Мексика, Россия, Индонезия, Иран, Румыния. К 2000 г. насчитывалось уже 93 нефтедобывающие страны.

Глава 1. Прошлое и настоящее добычи углеводородов

Таблица 1.1. Мировая добыча нефти и доля в ней России и США

1Ъды Добыча, млн т Россия, % США, %
1860     0,07         1,0     98,0 
1870     0,80         4,2     89,3 
1880      4,1         9,3     86,2 
1890     10,5        36,8     58,8 
1900     19,8        54,0     43,3 
1910     44,9        25,1     68,9 
1920     94,3         4,1     63,3 
1930      193         9,6     62,7 
1940      294      10,6       62,0 
1950      521         7,3     51,1 
1960     1051      14,1       33,0 
1970     2290      15,4       20,7 
1980     2975        20,3     14,3 
1990     2995      16,7       12,0 
2000     3455         9,2     8,4  
2010     3882      13,2       7,1  

Таблица 1.2. Годы начала нефтедобычи в некоторых странах

1Ъд       Страна       1Ъд   Страна 
1927       Ирак        1956  Ангола 
1933      Бахрейн      1957 Нигерия 
1936 Саудовская Аравия 1961  Ливия  
1939       Китай       1962   ОАЭ   
1949       Катар       1971 Норвегия

1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов

11

   В первые годыXXI в. уровень ежегодного глобального спроса на энергию превысил 13 млрд т н. э. Потребление энергии на душу населения составляет 1,5 т нефтяного эквивалента (н. э.) на человека в год. В настоящее время мировое потребление нефти на душу населения стабилизировалось науровне580 кг/год. Основные потребители углеводородов — это промышленно развитые страны.
   Запасы нефти в той или иной стране не являются главным фактором, определяющим объемы ее добычи. В 1930—1950 гг. в районе Персидского залива было открыто большое число крупных месторождений нефти, однако добыча ее велась низкими темпами. Главная причина заключалась в неготовности мировой индустрии того времени обеспечить быстрые темпы освоения ближневосточной нефти. Нефтяная промышленность — это металлоемкая отрасль. Большое количество металла расходуется на строительство скважин, трубопроводов, танкеров и оборудования для нефтеперерабатывающих заводов. Потребители нефти, в особенности транспорт, тоже нуждаются в металле, а металла в ту пору не хватало, что сдерживало развитие нефтяной промышленности мира.
   В последние десятилетия темпы роста нефтедобычи замедлились. Причин тому несколько. Во-первых, по всему миру стало заметно уменьшение прироста запасов нефти по сравнению с количеством добываемой нефти. Во-вторых, повышение цен на нефть заставило страны-импортеры проводить политику энергосбережения. В-третьих, экологические и экономические соображения заставили увеличить использование природного газа.
   Данные по добыче нефти в основных странах приводятся в табл. 1.3.
   По производству нефти лидируют Ближний Восток, где из недр извлекается 26% общемирового объема, и Северная Америка— 24% общемирового объема добычи. Стоимость производства нефти варьируется: на Ближнем Востоке составляет 4,2 долл./барр.; в азиатской части России, США и Канаде — 8,0; в Западной Европе — 9,6; на глубоководном шельфе Латинской Америки — 10,4 долл. /барр.

Глава 1. Прошлое и настоящее добычи углеводородов

Таблица 1.3. Добыча нефти (млн т) и газа (млрд м³) в мире по странам в 2007 г.

     Страна       Нефть Газ
Саудовская Аравия  515  422
     Россия        491  653
       США         312  ---
      Иран        210   131
      Китай       184   ---
     Мексика      183   96 
     Канада       151   ---
    Венесуэла     145   119
       ОАЭ        138   119
     Кувейт       133   119
    Норвегия      129   118
     Нигерия      119   116
      Ирак        98    88 
    Бразилия       89   ---
      Алжир        86   75 
      Ливия        86   81 
 Великобритания   77    ---
     Ангола       69    68 
    Казахстан     66    56 

   В последние годы значительно увеличилось число месторождений и скважин, введенных в эксплуатацию на шельфе. В 2006 г. началось извлечение нефти на глубоководных место

1.1. Объемы добычи и потребления углеводородных ресурсов

13

рождениях в Анголе, Бразилии, Нигерии. В 2011 г. нефть добывалась почти на 1500 морских месторождениях. На российском арктическом шельфе компания «Газпром» запустила Приразломное месторождение природного газа, в 2015 г. будет пущено в эксплуатацию Штокмановское газоконденсатное месторождение.
   Сегодня мировое производство газа составляет около 3 млрд т нефтяного эквивалента в год. В ближайшие годы природный газ будет играть центральную роль в удовлетворении глобального спроса на энергоносители. В последние десятилетия наиболее быстро спрос на нефть и газ возрастал в странах Азиатско-Тйхоокеанского региона, где энергопотребление увеличивалось под влиянием демографических и технологических факторов.
   Суммарное потребление энергоносителей в мире за 1970—2007 гг. превысило масштаб их использования за весь предшествующий период развития человеческой цивилизации и составило 291 млрд т н. э., тогда как за 1901—1970 гг. потребление энергоносителей составило 124 млрд т н. э.

Таблица 1.4. Мировая добыча нефти и природного газа
          в 2000—2010 гг.

     Продукт/1Ъд       2000 2002 2004 2010
     Нефть, млн т      3601 3557 3868 3882
Природный газ, млрд м3 2436 2531 2692 2653

   Ежегодно в мире добывается около 13 млрд т условного топлива. В мировом потреблении первичных энергоресурсов ведущее место принадлежит нефти: на ее долю приходится 35%; на уголь — 24 %; на газ — 21 %. На мировой рынок жидких углеводородов поступает ежегодно около 2,2 млрд т сырой нефти. 90 % добываемых углеводородов сжигаются в виде моторного и котельного топлива.
   В настоящее время доказанные извлекаемые запасы нефти в мире оцениваются примерно в 200 млрд т, а газа—в 160 трлн м³ (табл. 1.5). Следует отметить, что данные о добыче нефти по

Глава 1. Прошлое и настоящее добычи углеводородов

отдельным странам и по миру в целом обладают большей точностью и надежностью, чем данные о запасах нефти. Также далеко не все страны и компании раскрывают данные о себестоимости добычи нефти (табл. 1.6).

Таблица 1.5. Годовая добыча и извлекаемые запасы энергоносителей в 2010 г.

Энерго-  Извлекаемые   1Ъдовая   Продолжительность 
носитель   запасы      добыча    эксплуатации, годы
 Нефть   200 млрд т  3,9 млрд т          60        
  Газ    160 трлн м3 2,7 трлн м3         60        
 Уголь   1040 млрд т 4,4 млрд т         230        
  Уран     3 млн т    60 тыс. т          50        

Таблица 1.6. Ведущие экспортеры нефти в 2001 г. и себестоимость ее добычи

     Страна          Добыча,      Экспорт,    Себестоимость,
                  млн барр./сут млн барр./сут  долл./барр.  
Саудовская Аравия     8,03      7,8             1,5---3,0   
     Россия           7,05      4,3                3,6      
    Норвегия          3,20      3,1               8---10    
    Венесуэла         2,88      2,7                 10      
      Иран            3,72      2,6               3---4     
       ОАЭ            2,25      2,2           1,5---3       
      Ирак            2,43      2,1               2---3     
     Кувейт           2,03      2,1           1,5---3       
     Нигерия          2,25      1,9               4---5     
     Мексика          3,13      1,4                 10