Пластовое давление

Флюиды, содержащиеся в порах-коллекторах, находятся под определенным давлением, обычно называемым пластовым (reservoir pressure) [l], давлением флюида (fluid pressure) или формационным давлением (formation pressure). Можно определить это давление, измеряя усилие на единицу площади, оказываемое флюидами на стенки вскрытого скважиной коллектора. Измеряется пластовое давление в фунтах на квадратный дюйм (psi) или в атмосферах (1 атм=14,7 psi)¹. Поскольку все флюиды в системе контактируют друг с другом, передача давления происходит свободно, и величина давления, замеренная для одного из флюидов, характеризует давление других флюидов.

Кроме указанных выше терминов, для обозначения различных видов пластового давления используются термины: забойное давление (bottom-hole pressure), гидравлическое давление (water-pressure), статическое давление (closed-in pressure), скважинное давление (welle-pressure) и горное давление («rock» pressure). Эти термины в большинстве случаев можно считать эквивалентными термину «пластовое давление», хотя иногда они и несколько отличаются от последнего. Термин «горное давление» в некоторых более ранних работах рассматривался как аналог пластового давления. В этих случаях не имелась в виду замеренная или расчетная величина давления, создаваемого весом толщи перекрывающих пород.

Градиент гидростатического давления системы, представленной пресной водой (условная плотность 1,0), равен 0,433 фунт/кв. дюйм/фут (0,1 атм/м). Графическое выражение этого градиента в виде диаграммы давление - глубина показано на фиг. 9-1, А. Если в воде растворены соли, ее плотность окажется выше плотности пресной воды (см. Приложение, табл. А-1), а следовательно, и гидростатический градиент минерализованной воды будет больше, чем градиент пресной воды; графически это выразится меньшим наклоном линии.

На поверхности открытой водной системы, например озера, давление воды равно нулю, т.е. давление флюида на поверхности открытой системы равно атмосферному давлению. В закрытой гидростатической системе (фиг. 9-1, Б), состоящей только из воды с плотностью, равной плотности этой воды в открытой системе, гидравлический градиент давления будет таким же, как и в открытой системе. Однако уровень, на котором давление флюида будет равным нулю (атмосферному давлению), может оказаться выше или ниже земной поверхности. Высота замера давления флюида, соответствующая уровню моря, называется нулевой высотой. Графическое изображение давления флюидов на диаграммах давление - глубина с учетом соответствующих нулевых высот является очень удобным методом изучения характера потенциала флюида в тех или иных природных резервуарах в пределах бассейна или отдельной перспективной площади.

Обычно под пластовым давлением, если его не рассматривают в каком-либо ином плане, подразумевают начальное давление ‑ давление, существовавшее до того,

¹Путем прибавления к пластовому давлению в атмосферах величины атмосферного давления на поверхности получаем величину пластового давления в абсолютных единицах (psia, или ата). Средние значения атмосферного давления для различных альтитуд приведены ниже.

Пластовое давление в технических единицах (psi) представляет собой давление, замеренное на уровне, соответствующем положению в скважине глубинного манометра. Пластовое давление в абсолютных величинах (psia) используется в точных инженерных расчетах, в особенности при подсчетах объемов газа.

как естественное равновесие в пласте было нарушено разработкой залежи. Начальное пластовое давление может быть непосредственно измерено только в первой продуктивной скважине, пробуренной на данный пласт, поскольку по мере извлечения из залежи нефти и газа пластовое давление начнет снижаться соответственно темпу отбора флюидов. Если работающую скважину остановить, пластовое давление начнет подниматься. Восстановление давления, вначале очень быстрое, постепенно замедляется, пока не будет достигнута максимальная величина давления. Это максимальное давление называется статическим забойным давлением (static bottom-hole pressure), просто статическим давлением (shut-in pressure) или статическим формационным давлением (static formation pressure). Если продолжительность остановки скважины недостаточна для достижения

Фиг. 9-1. Давление флюидов в открытой системе.

А ‑ давление на единицу площади, оказываемое столбом воды высотой от точки замера пластового давления до поверхности контакта с воздухом (например, до уровня моря или озера); Б ‑ закрытая система, давление на любой глубине характеризует давление на единицу площади, оказываемое столбом воды высотой от точки замера пластового давления до условной поверхности раздела вода - воздух, так называемой потенциометрической поверхности, которая может быть и выше, и ниже земной поверхности. Чистая вода (плотность 1,0) создает давление 0,433 фунт/кв. дюйм/фут (0,1 атм/м).

максимальной величины статического давления, эту величину можно рассчитать путем экстраполяции кривой восстановления давления. Статическое забойное давление в эксплуатирующейся скважине обычно ниже начального пластового давления в залежи. Разница между статическим и начальным пластовым давлением характеризует степень снижения последнего в процессе разработки залежи. Динамическое давление (flowing pressure), называемое также забойным динамическим давлением (bottom-hole flowing-pressure), замеряется во время работы скважины. Разница между динамическим и статическим давлением называется дифференциальным давлением или депрессией на пласт. Затрубное давление (casing pressure), или давление на устье (surface pressure), ‑ это статическое давление на устье скважины, создающееся внутри эксплуатационной колонны, между ее стенками и насос-но-компрессорными трубахчи, когда скважина остановлена и давление восстановилось до максимально возможной величины. Прибавив к величине затрубного давления вес столба воздуха, газа, нефти и воды, находящихся в скважине, получим расчетную величину пластового давления. Буферное давление (tubing pressure) - это давление на устье скважины внутри насосно-компрессорных труб. Оно может быть статическим, т.е. замеренным в остановленной скважине, и в этом случае равно затрубному давлению, или динамическим, замеренным во время фонтанирования скважины. Если газ при этом обгоняет нефть, проскальзывая сквозь нее, буферное давление будет возрастать, поскольку плотность газа много меньше плотности нефти. Противодавление (back pressure) ‑ давление, создаваемое работающей скважиной на пласт, иными словами, величина сопротивления динамическому давлению. Оно равно манометрическому давлению на поверхности (у устья скважины) плюс вес столба жидкости в скважине.

Изменения величины пластового давления, связанные с разработкой залежи, весьма важны для эксплуатационников. В общем случае давление падает по мере извлечения пластовых флюидов, и величина снижения давления на единицу объема добываемых газа или нефти¹ служит надежной основой качественной и количественной оценки их запасов, максимального рационального темпа отбора и эффективности разработки. Если снижение давления на единицу добытых из залежи нефти и газа быстрое, объем резервуара скорее всего невелик; и наоборот, если падение давления медленное, резервуар может оказаться очень большим. В связи с этим крайне важно как можно раньше получить сведения о скорости снижения пластового давления для объективной оценки пластовой энергии и, следовательно, потенциальных возможностей резервуара. Таким образом, замеры давления - совершенно необходимый элемент в работе эксплуатационников. Ниже мы рассмотрим главным образом начальное пластовое давление, факторы, обусловливающие величину этого параметра, и некоторые результаты его влияния. Изменения давления в процессе разработки залежи более полно рассмотрены в гл. 10, посвященной механике природного резервуара.

Начальное пластовое давление непосредственно связано с динамикой воды, насыщающей горные породы. В широком плане количество нефти и газа в породах бесконечно мало по сравнению с количеством воды - большая часть нефтяных и газовых залежей фактически «затеряна» в водоносных пластах. Вода действует не только как среда, сквозь которую нефть и газ должны двигаться, чтобы скопиться в залежах, но и как основной агент, передающий давление от одного участка к другому. Иными словами, вода является своего рода соединительной тканью, непрерывной фазой, пропитывающей проницаемые горные породы. В глинах и тонкозернистых породах с крайне низкой проницаемостью вода представлена лишь в виде пленки (вокруг частиц) толщиной в несколько молекул. В более проницаемых породах, называемых водоносными, она занимает от 10 до 40% объема породы. Так как нефтяные и газовые залежи почти всегда непосредственно связаны с подземными водами, многие особенности пластового давления изучаются как в гидрогеологии, так и в геологии нефти и газа.