книги / Техника и технология капитального ремонта скважин
..pdfА.Б. СУЛЕЙМАНОВ КА. КАРАПЕТОВ А.С. ЯШИН
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
КАПИТАЛЬНОГО
РЕМОНТА
СКВАЖИН
Одобрено Ученым советом Государственно го комитета СССР по профессионально-тех ническому образованию в качестве учебного пособия для средних профессионально-тех нических училищ
МОСКВА "НЕДРА'' 1987 '
Сулейманов А. Б., Карапетов К. А., Яшин А. С. Техника и технология ка питального ремонта скважин: Учебное пособие для учащихся профтехобразо вания и рабочих на производстве. — М., Недра, 1987. — 316 ,с., ил.
Приведены сведения по нефтепромысловой геологии, технике и технологий добычи нефти и газа. Описаны наземное и внутрискважинное оборудование эксплуатационных скважин, агрегаты, оборудование и инструмент, использу емые при капитальном ремонте. Изложены технология проведения ремонтных работ и работ по повышению нефтеотдачи пластов, организация труда бригад капитального ремонта и экономика ремонтных работ. Большое внимание уде лено охране труда и окружающей среды.
Для учащихся профессионально-технических училищ, а также подготовки и повышения квалификации бурильщиков и помощников бурильщиков капи тального ремонта скважин, может быть использовано при профессиональном обучении рабочих на производстве.
Табл. 22, ил. 115.
Р е ц е н з е н т ы : Б. Я. Зарецкий (Миннефтепром), Б. А. Лерман (ПО сТатнефть»)
2504030300— |
048. _ |
|
043( 0 1 )— 87 |
327 87 |
© Издательство «Недра», 1987 |
|
|
Глава I.
ОСНОВЫ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЙ ГЕОЛОГИИ
НЕФТЯНАЯ (ГАЗОВАЯ) ЗАЛЕЖЬ И НЕФТЯНОЕ
(ГАЗОВОЕ) МЕСТОРОЖДЕНИЕ
Горные породы, составляющие земную толщу, подразделены на два основных вида — изверженные и осадочные.
И з в е р ж е н н ы е |
породы образуются при застывании жид |
кой магмы в толще |
земной коры (гранит) или вулканических |
лав на поверхности земли (базальт).
О с а д о ч н ы е породы образуются путем осаждения (глав ным образом в водной среде) и последующего уплотнения ми неральных и органических веществ различного происхождения. Эти породы обычно залегают пластами.
Все горные породы имеют поры — свободные пространства между зернами, т. е. обладают пористостью. Но промышленные скопления нефти (газа) содержатся главным образом в осадоч ных породах — песках, песчаниках, известняках, являющихся хорошими коллекторами для жидкостей и газов. Эти породы обладают проницаемостью, т. е. способностью пропускать жид кости и газы через систему многочисленных каналов, связываю щих пустоты в породе.
Нефть и газ встречаются в природе в виде скоплений, зале гающих на глубинах от нескольких десятков метров до несколь ких километров от земной поверхности. Пласты пористой
породы, |
поры и трещины |
которой |
заполнены |
нефтью, назы |
||||
ваются |
н е ф т я н ы м и |
( г а з о в ыми) |
п л а с т а м и или г о р и |
|||||
з о н т а м и . |
|
|
|
|
|
|
||
Пласты, в которых имеются скопления нефти (газа), назы |
||||||||
вают |
з а л е ж а м и |
н е фт и (газа) . |
|
|||||
Обычно залежь |
нефти |
(газа) |
бывает приурочена к опреде |
|||||
ленной |
т е к т о н и ч е с к о й |
с т р у к т у р е , под |
которой пони |
|||||
мают |
форму залегания |
горных |
пород. Термин |
тектоническая |
||||
структура или просто |
с т р у к т у р а |
применяют |
очень широко. |
Он характеризует структуру земли в целом, ее областей, районов и небольших участков.
Совокупность залежей нефти и газа, сконцентрированных в недрах на одной и той же территории и подчиненных в процес се образования единой тектонической структуре, н а з ы в а е т с я
н е ф т я н ы м |
( г а з ов ым) |
м е с т о р о ж д е н и е м . В частном |
случае, когда |
нефтяное |
или газовое месторождение состоит |
всего лишь из одной залежи нефти (газа), понятия о нефтяном (газовом) месторождении и нефтяной (газовой) залежи совпа дают.
ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ФОРМЫ СКЛАДОК НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Пласты осадочных горных пород, первоначально залегавшие горизонтально, в результате воздействия давлений, температур, глубинных разрывов поднимались или опускались в целом либо относительно друг друга, а также лзгибались в складки различ ной формы (рис. 1.1, 1.2 и 1.3).
Складки, обращенные выпуклостью вверх, называются а н-
т и к л и н а л я м и |
(рис. 1.1), а складки, направленные выпук |
лостью вниз, — с и н к л и н а л я м и (рис. 1.2). |
|
Самая высокая |
точка антиклинали называется ее в е р ш и |
ной, а центральная часть — с водом. Наклонные боковые час ти складок (антиклиналей и синклиналей) образуют к р ыл ь я . Антиклиналь, крылья которой имеют углы наклона, одинако вые со всех сторон, называется к у по ло м .
Большинство нефтяных (газовых) залежей мира приурочены к антиклинальным складкам.
Обычно одна складчатая система слоев (пластов) представ ляет собой чередование выпуклостей (антиклиналей) и вогну тостей (синклиналей), причем в таких системах породы синкли налей заполнены водой, так как они занимают нижнюю часть структуры, нефть (газ) же, если она встречается, заполняет по ры пород антиклиналей. Структурами, благоприятными для скопления нефти, помимо антиклиналей, являются также моно клинали.
Тип залегания пластов горных пород с одинаковым накло
ном в одну сторону называется м о н о к л и н а л ь ю |
(рис. 1.3). |
|
При образовании складок обычно пласты только |
сминаются, |
|
но не разрываются. Однако в процессе горообразования |
под |
|
действием вертикальных сил пласты нередко претерпевают |
раз- |
Рис. 1.1. Антиклиналь. |
|
Рис. 1.2. Синклиналь. |
|
Отложения: / — песок, пропитанный водой; |
/ —б — см. рис. 1.1 |
||
2 — песок, пропитанный |
нефтью; 3 |
— песок |
|
серый; 4 — глина серая; |
5 — глина |
бурая; |
|
б — глина красно-бурая |
|
|
|
Рис. 1.3. Моноклиналь
Рис. 1.4. Структура сброса а
рыв, образуется трещина, вдоль которой пласты смещаются от носительно друг друга. При этом образуются разные структры: сбросы, взбросы, надвиги, грабены, горсты.
Сб р о с — смещение блоков горных пород относительно друг друга по вертикальной или крутонаклонной поверхности текто нического разрыва. Расстояние по вертикали, на которое смести
лись пласты, называется а м п л и т у д о й |
сброса. |
На |
рис. 1.4 |
правая от плоскости а—а часть пластов |
осталась |
на |
месте, а |
левая сместилась на амплитуду сброса в. Если по той же пло скости происходит не падение, а подъем пластов, то такое нару шение называют в з б р о с о м (обратным сбросом).
Н а д в и г — разрывное нарушение, при котором одни массы горных пород надвинуты на другие.
Г р а б е н — опущенный по разломам участок земной коры. Г о р с т — приподнятый по разломам участок земной коры. Геологические нарушения оказывают большое влияние на распределение нефти (газа) в недрах Земли — в одних случаях они способствуют ее скоплению, в других, наоборот, могут быть путями обводнения нефтегазонасыщенных пластов или выхода
на поверхность нефти и газа.
НЕФТЬ И ЕЕ СВОЙСТВА
Нефть и нефтяной газ — это сложная смесь углеводородов (соединений углерода с водородом).
Известно множество соединений углерода и водорода, разли чающихся характером сцепления атомов углерода и водорода
и их числом в молекуле. В зависимости от этого одни углеводо
роды при нормальных условиях |
(т. е. при давлении |
760 мм рт. |
||
ст. и температуре 0°С) |
находятся в газообразном |
состоянии |
||
(природный и нефтяной |
газы), |
другие — в жидком |
|
(нефть) и, |
наконец, имеются углеводороды, которые находятся в твердом состоянии (парафины, содержащиеся почти во всех нефтях).
В среднем в нефти содержится 82—87% углерода (С), 11— 14% водорода (Н) и 0,4—1% примесей — соединений, содержа щих кислород, азот и серу, асфальтовые и смолистые вещества.
Товарные качества нефтей определяют в лабораторных усло виях путем ее разгонки, которая основана на том, что каждый углеводород, входящий в состав нефти, имеет определенную температуру кипения. При подогреве нефть начинает кипеть, и при этом выкипают и испаряются в первую очередь легкие угле водороды, имеющие наиболее низкую температуру кипения. При дальнейшем нагревании начинают испаряться более тяжелые.
Обычно в лабораторных условиях разгонку нефти проводят в интервалах температур до 100, 150, 200, 250, 300 и 350 °С. Па ры нефти, подогретой до определенной температуры, собирают и охлаждают,' затем они снова превращаются в жидкость, ха рактеризующую группу углеводородов, выкипающих из нефти в данном интервале температур. Таким образом, при подогреве нефти в зависимости от температуры из нее вначале испаряют ся самые легкие — бензиновые фракции, затем более тяжелые — керосиновые, соляровые и т. д.
Считают, что фракции нефти, кипящие в интервале 40— 200 °С, бензиновые, 150—300 °С — керосиновые, 300—400 °С — соляровые, при 400 °С и выше — масляные.
По содержанию смолистых веществ нефти подразделяют на три группы: малосмолистые — содержание смол не более 18%; с м о л и с т ы е — содержание смол от 18 до 35%; в ы с о к о с м о л и с т ы е — содержание смол более 35%.
По содержанию парафина нефти делятся также на три груп
пы: |
б е с п а р а ф и н и с т ы е — содержание |
парафина до |
1 %; |
с л а б о п а р а ф и н и с т ы е — содержание |
парафина от |
1 до |
|
2%; |
п а р а ф и н и с т ы е — содержание парафина более 2%. |
Содержание в нефти большого количества смолистых и пара финистых соединений делает ее вязкой и малоподвижной, что вызывает необходимость проведения особых мероприятий для извлечения ее на поверхность и последующей транспортировки.
По содержанию серы нефти подразделяют на м а л о с е р н и стые — содержание серы до 0,5%; с е р н и с т ы е — содержание серы от 0,5 до 2,0%; в ы с о к о с е р н и с т ы е — содержание серы более 2,0%.
Содержание в нефтях сернистых соединений ухудшает их ка чество, вызывает осложнения при добыче, перекачке и перера
ботке нефти вследствие усиленной коррозии металлического обо рудования.
О качестве нефти в промысловой практике ориентировочно судят по ее п л о т но с т и . Как известно, п л о т н о с т ь х а р а к т е р и з у е т с я м а с с о й , п р и х о д я щ е й с я на е д и н и ц у о б ъ е м а . Плотность нефти при нормальных условиях колеблет ся от 700 (газовый конденсат) до 980 и даже 1000 кг/м3. Легкие нефти с плотностью до 880 кг/м3 наиболее ценные, так как обыч но в них содержится больше бензиновых и масляных фракций.
Важнейшее физическое свойство любой жидкости, в том чис ле и нефти, — в я з к о с т ь , т. е. свойство жидкости сопротив ляться взаимному перемещению ее частиц при движении.
Различают динамическую и кинематическую вязкости.
З а е д и н и ц у д и н а м и ч е с к о й в я з к о с т и п р и н и м а ют в я з к о с т ь т а к о й ж и д к о с т и , п р и д в и ж е н и и к о т о р о й в о з н и к а е т с и л а в н у т р е н н е г о т р е н и я в 1 Н (Ньютон) на п л о щ а д и 1 м2 м е ж д у с лоя ми, д в и ж у щ и м и с я на р а с с т о я н и и 1 м с о т н о с и т е л ь н о й
ск о р о с т ь ю 1 м/с. Размерность динамической вязкости:
[р]= Па-с (паскаль• секунда).
Вязкость пластовых жидкостей, в том числе и нефти, обычно намного ниже 1 Па-с. В промысловой практике для удобства принято пользоваться единицей вязкости, в 1000 раз меньшей — мПа-с (миллипаскаль-секунда). Так, вязкость пресной воды при температуре + 2 0 °С составляет 1 мПа-с.
Вязкость нефтей, добываемых в СССР, в зависимости от их характеристики и температуры изменяется от 1 до нескольких десятков мПа-с. Встречаются нефти с вязкостью 100 и даже
200 мПа-с (0,1—0,2 Па-с) |
и более. |
К и н е м а т и ч е с к а я |
в я з к о с т ь — отношение динамиче |
ской вязкости к плотности, измеряют ее в м2/с.
Иногда для оценки качества нефти и нефтепродуктов поль зуются относительной (условной) вязкостью, показывающей во сколько раз вязкость данной жидкости больше или меньше вяз кости воды при определенной температуре. Измерения проводят обычно путем сравнения времени истечения из отверстия виско зиметра Энглера равных объемов исследуемой жидкости и во ды. Результаты определений выражают в градусах условной вязкости °ВУ*, где индекс t указывает температуру измерения.
З а ч и с л о г р а д у с о в у с л о в н о й в я з к о с т и при д а н н о й т е м п е р а т у р е п р и н и м а ю т о т н о ш е н и е в р е ме ни и с т е ч е н и я из в и с к о з и м е т р а Э н г л е р а 200 см3 и с п ы т у е м о й ж и д к о с т и ко в р е м е н и и с т е ч е н и я
200 см3 в о д ы из |
т ог о же п р и б о р а при т е м п е р а т у р е |
|
20 °С. С повышением температуры вязкость нефти |
(как и любой |
|
другой жидкости) |
уменьшается. С увеличением |
количества |
растворенного в нефти газа вязкость нефти также значительно уменьшается.
На нефтяных месторождениях обычно наблюдается увеличе ние температуры с глубиной. Кроме того, в нефти, как правило,
всегда содержится определенное количество растворенного га за. Поэтому вязкость нефти в пластовых условиях всегда мень ше, чем вязкость на поверхности.
НЕФТЯНЫЕ ГАЗЫ И ИХ СВОЙСТВА
Газы, добываемые из нефтегазовых залежей вместе с нефтью,
называют н е ф т я н ы м и газами. Они |
представляют |
собой |
||
смесь |
углеводородов — метана, пропана, |
бутана, |
пентана |
и др. |
Самый |
легкий из всех углеводородов — метан; |
в газах, добы |
ваемых из нефтяных и газовых месторождений, метана содер жится от 40 до 95%.
Одной из основных характеристик углеводородных газов яв ляется о т н о с и т е л ь н а я п л о т н о с т ь , под которой пони мают отношение массы объема данного газа к массе такого же объема воздуха при нормальных условиях. Относительная плот ность нефтяных газов колеблется от 0,554 для метана до 2,49 для пентана и выше. Чем больше в нефтяном газе легких угле
водородов— метана |
СН4 |
и этана |
С2Н6 |
(относительная плот |
ность— 1,038), тем |
легче |
этот газ. |
При |
нормальных условиях |
метан и этан находятся в газообразном состоянии. Следующие за ними по относительной плотности пропан — С3Н8 (1,522) и
бутан — C4Hio (2,006) |
также относятся к газам, |
но легко |
пере |
|||
ходят в жидкость даже при небольших давлениях. |
газах легких |
|||||
В зависимости от преобладания в нефтяных |
||||||
(метан, этан) или |
тяжелых (пропан и |
выше) |
|
углеводородов |
||
газы разделяются |
на |
сухие и жирные. |
Су х и м |
|
г а з о м |
назы |
вают природный газ, который не содержит тяжелых углеводоро дов или содержит их в незначительных количествах. Ж и р н ы м г а з о м называют газ, содержащий тяжелые углеводороды в та ких количествах, когда из него целесообразно получать сжижен ные газы или газовые бензины.
На практике принято считать жирным газом такой, в 1 м3 которого содержится более 60 г газового бензина. При меньшем содержании газового бензина газ называют сухим. С тяжелыми нефтями добывают преимущественно сухой газ, состоящий главным образом из метана.
В нефтяных газах, кроме углеводородов, содержатся в не значительных количествах углекислый газ, сероводород и др.
Состояние газа характеризуется давлением р, температурой Т и объемом V. Соотношения между этими параметрами опре деляются законами газового состояния идеального газа. Однако при одних и тех же условиях состояние реальных газов (в том числе и природного, нефтяного) значительно отклоняется от со стояния идеальных газов. Согласно кинетической теории газов, и д е а л ь н ы м считается газ, молекулы которого не взаимодей ствуют друг с другом, в то время как в действительности моле кулы реальных газов взаимодействуют между собой под влия нием сил притяжения. С повышением давления молекулы газа
сближаются и внешние силы, сжимающие газ, увеличивают силы притяжения между молекулами. В результате при одних и тех же условиях реальные газы сжимаются сильнее, чем это следует согласно законам для идеальных газов. Когда реальный газ сжат до больших давлений, межмолекулярные расстояния сокра щаются настолько, что отталкивающие силы начинают оказы вать большие сопротивления дальнейшему уменьшению объема. При этом реальный газ сжимается в меньшей степени, чем идеальный. Эти отклонения свойств реальных и идеальных га зов настолько значительны, что на практике ими пренебрегать нельзя.
Степень отклонения сжимаемости реальных газов от идеаль ных характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м с ж и м а е м о с т и —
отношением |
объема реального газа |
к |
объему идеального газа |
в одних и тех же условиях. |
|
называемое уравнением |
|
Приведем |
уравнение Клайперона, |
||
состояния реального газа; |
|
|
|
|
pV = zmRT, |
|
(1.1) |
где р— давление, Па; V — объем газа, |
м3; т — масса газа, кг; |
||
R — газовая |
постоянная, Дж/(кг-°С); |
Т — абсолютная темпера |
тура, °С; |
г — коэффициент сверхсжимаемости |
(обычно опреде |
ляется по экспериментальным графикам). |
|
|
Важной характеристикой природного газа является р а с т в о |
||
р и м о с т ь |
его в нефти. |
|
По закону Генри растворимость газа в жидкости прямо про |
||
порциональна давлению газа: |
|
|
|
Vr= apVm, |
(1.2) |
где Vr— объем растворенного газа, приведенный к атмосферно му давлению, м3; а — коэффициент растворимости, Па-1; р — аб
солютное давление |
газа, |
Па; |
Уж — объем жидкости, |
в которой |
|
растворен газ, м3. |
формулы |
(1.2) |
к о э ф ф и ц и е н т |
р а с т в о |
|
Как следует из |
|||||
р и м о с т и показывает, |
сколько |
газа растворяется |
в единице |
объема жидкости при повышении давления на единицу. Коэф фициент растворимости в зависимости от условий растворения
изменяется от 0,4* 10-5 до 1-10-5 Па-1. |
начи |
|
Со снижением давления |
до определенного значения |
|
нает выделяться растворенный в нефти газ. |
|
|
Давление, при котором из нефти начинают выделяться пер |
||
вые пузырьки растворенного газа, называют д а в л е н и е м |
на |
|
с ы щ е н и я п л а с т о в о й |
н е фт и . Это давление зависит от |
состава нефти и газа, соотношения их объемов и от температу ры. Если в пласте имеется свободный газ (например, при на личии газовой шапки), то давление насыщения нефти газом равно пластовому давлению или близко к нему.
Если при постоянной температуре повышать давление како го-либо газа, то после достижения определенного значения дав
ления, этот газ сконденсируется, т. е. перейдет в жидкость. Для каждого газа существует определенная предельная темпе ратура, выше которой ни при каком давлении газ нельзя пере вести в жидкое состояние.
Наибольшая температура, при которой газ не переходит в жидкое состояние, как бы велико ни было давление, называется к р и т и ч е с к о й т е м п е р а т у р о й .
Давление, соответствующее критической температуре, назы вается к р и т и ч е с к и м д а в л е н ие м . Таким образом, крити ческое давление — это предельное давление, при котором и ме нее которого газ не переходит в жидкое состояние, как бы ни была низка температура. Так, например, критическое давление для метана «4,7 МПа, а критическая температура ми нус 82,5 °С.
ПЛАСТОВЫЕ ВОДЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
Пластовые воды имеются в большинстве нефтегазовых мес торождений и являются обычным спутником нефти. Помимо пластов, в которых вода залегает вместе с нефтью, встречаются и чисто водоносные пласты. В нефтегазоносных залежах распре деление жидкостей и газов соответствует их плотностям: верх нюю часть пласта занимает свободный газ, ниже залегает нефть, которая подпирается пластовой водой. Однако пластовая вода в нефтяных и газовых залежах может находиться не толь ко в чисто водяной зоне, но и в нефтяной и газовой, насыщая вместе с нефтью и газом продуктивные породы залежей. Эту
воду называют с в я з а н н о й или |
п о г р е б е н н о й . |
Осадочные породы, являющиеся нефтяными коллекторами, |
|
отлагались в основном в водных |
бассейнах. Поэтому еще до |
проникновения в них нефти поровое пространство между зерна ми породы было заполнено водой. В процессе тектонических вертикальных перемещений горных пород (коллекторов нефти и газа) и после них углеводороды мигрировали в повышенные части пластов, где происходило распределение жидкостей и га зов в зависимости от их плотности. При этом вода вытеснялась нефтью и газом не полностью, так как основные минералы, вхо дящие в состав нефтесодержащих пород, гидрофильные, т. е. лучше смачиваются водой, чем нефтью. Поэтому вода при вы теснении ее нефтью в процессе образования нефтяных залежей частично удерживалась в пластах в виде тончайших пленок на поверхности зерен песка или кальцита и в виде мельчайших капелек в точках контакта между отдельными зернами и в суб капиллярных каналах. Эта вода находится под действием ка пиллярных сил, которые значительно превосходят наибольшие перепады давлений, возникающие в пласте при его эксплуата ции, и поэтому остается неподвижной при разработке нефтега зовых залежей.