Потребности в воде для заводнения нефтяных залежей

 

Когда в 40-х годах началось промышленное применение искус­ственного заводнения нефтяных месторождений нагнетанием воды с поверхности с целью восстановления или поддержания пласто­вого давления, проблема о ресурсах воды не возникали. В тот период добыча нефти во всем мире была менее 300 млн. т в год, и никто не предполагал, что этот процесс достигнет столь широ­ких масштабов, как в настоящее время, а потребность в воде бу­дет исчисляться миллиардами кубометров в год. Только в Совет­ском Союзе и США в пласты закачивается уже более 3 млрд. м3 воды в год, а за весь период применения заводнения воды в пла­сты закачано более 60 млрд. м3. В настоящее время этот метод разработки нефтяных месторождений обеспечивает около 90 % до­бычи нефти в СССР и более 50 % — в США.

Столь быстрые темпы внедрения и большие масштабы приме­нения метода заводнения нефтяных месторождений обусловлены следующими факторами:

1. увеличением степени извлечения нефти из пластов в 1,5—
2 раза по сравнению с режимом снижения пластового давления
и разгазирования нефти;

2. простотой исполнения, не требующего сложного оборудова­
ния, кроме насосов и установок подготовки воды.

3. небольшими дополнительными расходами на процесс за счет
бесплатной воды и простого недорогостоящего оборудования для
нагнетания, не превышающими 50—80 % расходов на разработку
без заводнения подготовку воды.

При искусственном заводнении нефтяных залежей с начала разработки, с целью восполнения пластовой энергии, вода зака­чивается в них обычно из поверхностных источников через спе­циальные скважины под большим давлением (5—30 МПа). Вода, закачанная в пласты, вытесняя нефть к добывающим скважинам, совершенно естественно прорывается в них по высокопроницаемым олоям и затем длительное время отбирается вместе с нефтью в по­стоянно нарастающих объемах.

 

Рис. 27. Зависимость водонефтяного фактора W от нефтеотдачи η.

Месторождения: 1 — Зольный Овраг (пласт Б₂), μо=1, показатель неоднородности k = 1,8; 2—Ромашкинское (Восточно-Сулеевская площадь), μо=2, k = 5; 3 — Яблоневый Овраг (пласт Б₂), μо = 11,5, k=1,5

 

На месторождениях с малой вязкостью нефти (μо=1), высокой проницаемостью и малой неоднородностью пластов (k_max/k_ср= 1,8)—типа Зольненского, пласт Б₂, водонефтяной фактор не пре­вышает 1—1,5 по достижении нефтеотдачи пластов 65—67 % (рис. 27).

Увеличение вязкости нефти в 10 раз (μо=10—12) даже в пла­стах с малой неоднородностью (k_max/k_ср=l,5)—типа Яблоневого Оврага увеличивает водонефтяной фактор до 7—8 при конечной нефтеотдаче 50—52 %. Месторождения с малой вязкостью нефти, но с высокой неоднородностью пластов также требуют больших отборов воды для хорошей степени извлечения нефти из недр при заводнении (см. рис. 27, Восточно-Сулеевская площадь).

 

Рис. 28. Типичная динамика нефтеотдачи η относительного отбора жидкости, нагнетания воды, потребности в воде V на «среднем» месторождении во времени.

1, 1' — соответственно добыча нефти и нефтеотдача при режиме растворенного газа: 2, 2', 3 — соответственно добыча нефти, нефтеотдача и отбор жидкости при заводнении; 4 — по­требность в воде при полном возврате сточных вод; 5 — объем нагнетания воды; штриховка: вертикальная — эффект в добыче нефти от заводнения; косая — экономия (возврат) воды

 

За весь период разработки нефтяных месторождений при за­воднении из пластов обычно извлекается воды в несколько раз больше, чем нефти. А для поддержания давления в пластах объем закачиваемой воды должен компенсировать не только извлекае­мую нефть, но и воду.

На рис. 28 показаны эффективность разработки типичного неф­тяного месторождения Урало-Поволжья при заводнении, по срав­нению с режимом растворенного газа, и необходимый объем за­качки воды в нефтеносный пласт для поддержания пластового давления на постоянном уровне. Это месторождение обладает вяз­костью нефти 3—5 мПа-с и проницаемостью пластов от 0,4 до 0,6 мкм2. При режиме растворенного газа из пласта можно извлечь лишь 14—15 % начальных геологических запасов нефти и срок разработки без ограничений темпа отбора нефти не превышает 15—20 лет. При заводнении такого месторождения конечная неф­теотдача пластов достигает 47—55 %, т. е. в 2,5—3 раза выше, чем при режиме растворенного газа. Продолжительность разработки месторождения при заводнении также увеличивается в 2—3 раза. Добыча нефти при заводнении месторождений сопровождается от­бором воды, которая появляется в добывающих скважинах сна­чала в малых объемах, а в конце разработки достигает 95—98 % и более. Наиболее характерная черта разработки месторождений при водонапорном режиме — поддержание пластового давления и отбора жидкости из пластов на постоянном уровне на протяже­нии всего периода эксплуатации.

Объем закачиваемой в пласты воды для обеспечения водона­порного режима разработки вначале возрастает до уровня, в 1,7— 2 раза превышающего максимальный отбор нефти, а затем снижа­ется вместе с падением добычи нефти меньшими темпами. К мо

менту достижения предела экономической рентабельности разра­ботки месторождения (обводненность добываемой продукции 97— 99 %) воды в пласты закачивается в 3—5 раз больше, чем ото­брано нефти из пластов. При этом из пластов извлекается воды в 2—4 раза больше, чем нефти.

В начале применения метода искусственного заводнения неф­тяных месторождений в 40—50-х годах, когда масштабы заводне­ния были еще малыми, не уделялось достаточного внимания охране окружающей среды и экономии воды. Вода для нагнета­ния в пласты бралась из поверхностных источников в полном объеме, а добываемая вместе с нефтью вода отделялась, очища­лась и сбрасывалась в водоемы.

В 60—70-х годах, по мере расширения масштабов применения заводнения, стали придавать большое значение экономии воды и недопущению загрязнения поверхностных водоемов. В связи с этим воду, добываемую вместе с нефтью, стали соответствующим обра­зом обрабатывать и вновь закачивать в нефтеносные пласты для поддержания давления.

В результате этого потребности в воде резко сократились. На рис. 28 показана потребность в воде из поверхностных источни­ков в случае полной утилизации добываемой воды и реинжекции ее в пласты. Эта потребность в 1,5—2 раза больше объема добы­ваемой нефти, но в 2—2,5 раза меньше общего объема закачивае­мой в пласты воды. Как видно, достигаются весьма существенная экономия воды и замкнутый цикл ее использования без загряз­нения поверхностных водоисточников.

В принципе потребность в воде для заводнения нефтяных ме­сторождений, составляющую 1,5—2 объема добытой нефти, умень­шить нельзя. Этот объем воды требуется для замещения нефти в пластовых условиях и будет необходим при любом самом эффек­тивном методе разработки. Сократить можно лишь объемы зака­чиваемой в пласты воды, идущей на замещение добываемой из пластов воды.

Пути сокращения объемов закачиваемой и добываемой воды могут быть различными. При обычном заводнении сократить объем добываемой и закачиваемой воды на 15—30 % можно примене­нием циклического воздействия на пласты, позволяющего умень­шить отрицательное влияние их неоднородности и увеличить охват заводнением.

Понижение вязкости нефти в пластах прогревом паром или повышением вязкости воды при растворении в ней полимеров по­зволяет сократить объемы добываемой и закачиваемой воды в 2— 3 раза.

Как видно, возможности экономии воды при заводнении нефтя­ных месторождений достаточно большие. Вместе с тем добывать нефть из пластов без расхода больших объемов воды невозможно. В условиях нарастающих трудностей обеспечения нефтью в буду­щем во всем мире будут применяться методы увеличения степени извлечения нефти из пластов. Все они основаны на использовании воды. Поэтому можно считать, что в будущем вместо каждой тонны нефти, извлеченной из недр, будет закачано в пласты и оставлено в них не менее 1,5—2 м³ воды с поверхности. Таким образом, до 2000 г. в недра нефтяных месторождений всего мира будет закачано и оставлено в них не менее 150—150 млрд. м³ воды.

Подготовка и свойства нагнетаемой воды

 

На первых этапах разработки для искусственного заводнения нефтяных месторождений обычно используются воды из поверх­ностных источников — рек, морей и озер, а в некоторых случаях — из подземных источников (подрусловые, пластовые воды).

Во многих случаях недостаточный успех, низкая эффектив­ность заводнения нефтяных залежей и осложнения в добыче нефти обусловлены плохим качеством закачиваемой воды. Вода из по­верхностных источников несет с собой в нефтеносные пласты боль­шое количество механических примесей (взвешенные твердые ча­стицы) размером до 50—100 мкм, простейших организмов (бак­терий, водорослей), кислорода (0,001—0,003 %) и различных солей, которые в продуктивных пластах оказывают сильное отри­цательное воздействие на процесс вытеснения нефти водой.

Механические примеси забивают (кольматируют) мелкие поро-вые каналы, выключают мелкопористые слои из процесса вытесне­ния нефти, сокращая дренируемый нефтенасыщенный объем зале­жей. Содержание крупных механических примесей в воде — ос­новная причина широко известного явления, когда слабопроницае­мые пропластки не принимают воду в многослойных пластах или когда закачать воду в слабопроницаемые пласты невозможно совсем.

Живые организмы вызывают в пластах развитие биоценоза и образование сероводорода с самыми сложными последствиями. Примером может служить Узеньское месторождение, на котором наличие сульфатвосстанавливающих бактерий в закачиваемой воде послужило причиной появления сероводорода в добываемом газе (до 20 г на 100 м3). Кислород в закачиваемой воде — основная причина высокой коррозионной активности добываемых с нефтью попутных (сточных) вод. Соли в воде, закачиваемой в нефтенос­ные пласты, вызывают несовместимость ее с пластовой (связан­ной) водой и, как следствие, распространенное явление отложения солей из воды на забое скважин, в насосно-компрессорных трубах и оборудовании добывающих скважин.

Особенные осложнения могут вызвать нерастворимые образо­вания щелочно-земельных карбонатов (гипс, кальцит, барит) вследствие смещения в пласте некоторых вод, содержащих кати­оны кальция, бария и анионы сульфатов и бикарбонатов. Избе­жать всех этих отрицательных последствий можно только соот­ветствующим образом подготовив и обработав воду перед нагне­танием ее в пласты.

Технология подготовки и качество воды для нагнетания в пла­сты должны обосновываться для каждого месторождения отдельно исходя из физико-химических свойств пласта, микроструктуры по­ристой среды, состава пластовой воды, нефти, газа и пр. Но любая система подготовки воды должна включать следующие системы:

фильтровальную для удаления из воды механических при­месей;

обескислороживания воды и удаления других коррозионно-активных газов;

химической бактерицидной обработки воды для подавления бактерий;

солевой обработки воды, обеспечивающей совместимость ее с пластовой;

автоматизированную систему управления подготовкой воды и контроля за ее качеством в основных точках системы подго­товки и на устье нагнетательных скважин.

 

Фильтровальная система проектируется так, чтобы она обеспе­чивала на выходе содержание твердых частиц размером в 3 раза меньше эффективного (минимального) нефтенасыщенного размера пор, который в обычных коллекторах составляет не более 10— 15 мкм. Объемное содержание кислорода в закачиваемой воде не должно превышать (5—7) 10^–6 %. Обескислороживание воды обеспечивается встречным пропусканием потоков воды и газа в вертикальных колоннах или обработкой химическими реаген­тами, связывающими свободный кислород и выводящими его в осадок.

Подавление бактерий достигается обработкой воды хлоридом, формальдегидом, алкилфосфатом и т. д. Солевая обработка нагне­таемой воды, обычно содержащей сульфаты, должна в первую оче­редь предотвращать возможность образования нерастворимого сульфида бария (BaSO₄) в призабойных зонах, трубах и обору­довании.

Добываемые с нефтью пластовые воды в последнее время стали широко использоваться для заводнения. Эти воды в большинстве случаев требуют только очистки от эмульгированной нефти и взве­шенных веществ. По остальным показателям и по вытесняющей способности они превосходят воды всех поверхностных и подзем­ных источников и не требуют специальной обработки. Объем про­мысловых сточных вод достигает нескольких сот миллионов куби­ческих метров в год (более 700). В системах заводнения исполь­зуются более 60 % этих вод. Остальной объем промысловых сточных вод все еще закачивается в поглощающие скважины или сбрасывается в бессточные испарители. Сброс промысловых сточ­ных вод в водоемы полностью прекращен.

Перспективным способом подготовки сточных промысловых вод для заводнения, способным решать все отмеченные проблемы, яв­ляется способ диспергирования (предложенный и разработанный во Всесоюзном нефтегазовом научно-исследовательском институте), уменьшающий размеры коллоидных взвешенных частиц и эмульгированной нефти в 2—3 раза по сравнению с размером поровых каналов. Особенно большое значение проблема подготовки воды приобретает при заводнении с различными химическими продук­тами и агентами. Механические примеси, кислород и микроорга­низмы в воде являются причиной разрушения растворов (микро­эмульсий), адсорбции и снижения эффективности.

В США объем промысловых сточных вод превышает 1,5 млрд. м³/год. В системах заводнения используется 625— 650 млн. м³, или менее 50 %. Остальной объем сточных вод зака­чивается в поглощающие горизонты и сбрасывается в океан.

Для очистки промысловых сточных вод широко применяются отстаивание, коагулирование (сернокислыми или железными ко­агулянтами) и фильтрация через песчаные фильтры. Применяется также очистка сточных вод фильтрацией через диатомит. В обя­зательном порядке проводится обескислороживание, бактерицид­ная и солевая обработка закачиваемых вод, особенно пресной по­верхностной.

В большинстве случаев промысловая сточная вода перед за­качкой в продуктивный пласт очищается практически полностью от загрязняющих компонентов — нефти, взвесей, железа. Счита­ется, что такая обработка в конечном счете экономичнее, по­скольку позволяет сократить затраты на восстановление приеми­стости нагнетательных скважин и устраняет другие осложнения.