Подземная гидромеханика, как основа технологии добычи нефти и газа.

Подземная гидромеханика – наука о движении нефти, газа и воды в пластах, сложенных пористыми и трещиноватыми горными породами.

Если учесть буквальный смысл термина гидравлика, то было бы правильнее науку о движении нефти, газа и воды в пластах назвать механикой жидкостей и газов в пористой среде. Последнее название более верно и потому, что при изучении фильтрации жидкостей и газов в пористой среде используются не только упрощенные методы гидравлики, но и математически строгие, общие методы гидромеханики. Поэтому, для простоты сохраним за упомянутой наукой более привычное название, укоренившееся уже и как название соответствующей учебной дисциплины – «Подземная гидромеханика».

При любом способе добычи нефти и газа возбуждается их движение в пласте; поэтому без знания подземной гидромеханики нельзя обоснованно решить важнейшие задачи технологии нефтедобычи и добычи газа – нельзя выбрать систему разработки месторождения и режим эксплуатации скважин, которые были бы наиболее рациональны для данных пластовых условий и в то же время наиболее удовлетворяли планово-экономическим требованиям.

Указания на необходимость знания законов подземной гидромеханиики для решения проблем технологии нефтедобычи, нужно подчеркнуть, что знания только этих законов недостаточно для изучения сложных процессов фильтрации жидкостей и газов в пластовых условиях. Действительно, громадная удельная поверхность пористой среды (величина поверхности стенок поровых каналов, приходящаяся на единицу объёма образца пористой горной породы) и малые диаметры зерен и поровых каналов указывают на то, что роль молекулярных сил может быть относительно велика. Поэтому необходимо считаться с прямым и косвенным влиянием поверхностных явлений на процессы движения жидкости в пористой среде. Кроме того, для очень многих месторождений характерны высокие и снижающиеся в процессе разработки пластовые давления, высокие пластовые температуры; часто в одних и тех же порах пласта одновременно находятся нефть, газ и вода, причем иногда физико-химические свойства законтурной (краевой) воды сильно отличаются от свойств связанной (сингенетичной, реликтовой, погребенной) воды, плёнка которой обволакивает зерна нефтесодержащей породы. По мере падения пластового давления, выделения газа из раствора и продвижения краевой воды внутрь контура нефтеносности в пласте могут развиваться сложные физико-химические процессы, оказывающие существенное влияние на особенности движения жидкостей и газов в пластах. Не менее сложные физико-химические явления возникают при закачке в нефтеносный пласт воды, воздуха или газа, например для поддержания или восстановления пластового давления. Следовательно, физикохимия пласта столь же важны для изучения поведения нефтегазоносного месторождения в процессе его разработки и эксплуатации, как и подземная гидромеханика.

Итак, подземная гидромеханика, физика и физикохимия пласта являются (наряду с промысловой геологией и отраслевой экономикой) основами современной технологии нефтедобычи. Без комплексного развития этих наук и внедрения их достижений в нефтепромысловую практику невозможен прогресс технологии нефтедобычи.

В подземной гидромеханике приходится иметь дело со многими из тех законов движения жидкостей и газов в пористой среде (с законами фильтрации), которые имеют важное значение не только в области технологии добычи нефти и газа, но и в гидрогеологии, инженерной геологии, гидротехнике, химической технологии и т. д. В самом деле, теория фильтрации является основной для решения, например, следующих важных проблем водоснабжения и ирригации: расчёт притоков жидкости к искусственным водосборам и дренажным сооружениям, изучение режима естественных источников и подземных потоков и т. д. в гидротехническом строительстве и при проведении крупных инженерно-геологических работ приходится рассчитывать фильтрацию вод под плотинами и в обход плотин, фильтрацию через тело земляных плотин, осуществлять искусственное понижение уровня грунтовых вод, бороться с грунтовыми водами при оползнях. При проведении подземной газификации (в каменноугольной промышленности) необходимо учитывать особенности движения газов в пористой среде. В керамической промышленности возникает задача о фильтрации жидкостей и газов через стенки сосудов, в химической промышленности – задача о движении реагентов в пористой среде катализатора, о движении реагентов через специальные фильтры, о шламовой фильтрации и т. д.

70-75 лет назад большинство вопросов технологии нефтедобычи (особенно в области технологии пласта) решалось без должного научного анализа, по традиции или только на основании «производительного чутья».объясняется это тем, что сведения по подземной гидромеханике и физике пласта в то время были ещё мало систематизированы и совсем не известны широким кругам нефтепромысловых работников. Кроме того, многие практически важные и ныне решенные проблемы в области упомянутых наук в то время были далеки от своего разрешения (мы рассмотрим это в истории развития подземной гидравлики). Нельзя не отметить, что за последнее время сами практические задачи эксплуатации и разработки нефтяных и газовых месторождений сильно усложнились. Ныне разрабатываются месторождения нефти и газа, глубина залегания которых превосходит 4360 м, а глубины некоторых разведочных нефтяных скважин достигли почти 5500 м; . уже более 100 скважин отбирали нефть с глубин, превосходящих 8000 м. стоимость бурения и эксплуатации таких скважин очень велика. Поэтому возникла острая необходимость в научно обоснованном решении многих вопросов, связанных с добычей нефти и газа; без этого невозможна рациональная разработка нефтяных и газовых месторождений. Если раньше из пласта добывали лишь 20-25% находившейся в нём нефти, то теперь, применяя различные методы интенсификации, стремятся повысить коэффициент нефтеотдачи до 80-90% и более.

За последние годы значительно улучшились и уточнились методы следования скважин и пластов. Мы теперь обладаем регистрирующими глубинными манометрами, способными с точностью до 0,5 ат фиксировать пластовое давление до 200-250 ат; мы имеем герметичные глубинные пробоотборники, которые позволяют отбирать пробу нефти из скважины с сохранением высокого давления и высокой температуры; мы имеем аппаратуру, которая позволяет анализировать отобранную пробу без снижения давления и температуры. Для определения параметров пласта ныне используется не только электрокароттаж скважин, но и гаммакароттаж и нейтроновый кароттаж. Для изучения нефте-водогазонасыщенности отобранных в процессе бурения кернов и для некоторых иных целей используются новейшие достижения ядерной физики.

Итак, несомненно, за последние годы проблемы добычи нефти и газа, во-первых, резко усложнились и, во-вторых, выросли в проблемы огромной политической и экономической важности. Решить эти проблемы кустарными, старыми методами уже нельзя, а потому развитию научно обоснованных методов технологии добычи нефти и газа уделяется особое внимание; совершенствование же технологии добычи нефти и газа немыслимо без учёта достижений подземной гидромеханики.