Режимы нефтегазоводоносных пластов

Положение зеркала подвижных подземных вод — верхней границы водонасыщенной зоны — представляется в виде условной границы в пласте, на основании определения положений уровней в колодцах, котлованах и т.д. В реальности имеется постепенный переход через капиллярную кайму водонасыщенного слоя, поры и трещины которого заполнены подвижной (фреатической) водой, к слою, поры которого лишь частично заполнены водой в пленочном, гигроскопическом и иных состояниях.

В отличие от поверхностных вод подземными называют все воды, которые в том или ином состоянии находятся под поверхностью земли — в толще земной коры.

В подземной гидромеханике приходится исследовать движение в пластах не только нефти и газа, но и воды.

Подземные воды (нумерация рисунков сохранена по Щелкачеву)

Существуют различные системы классификаций подземных вод. Эти системы классификаций основаны на разных принципах, учитывающих различие геохимических или гидродинамических признаков, либо различие условия залегания, либо различие происхождения подземных вод и т.п. Выделим лишь те группы подземных вод, движение которых изучается в подземной гидромеханике.

В подземной гидромеханике изучают подземные подвижные воды в насыщенной зоне, т.е. ниже их зеркала. Такие воды, способные перемещаться в пластах под действием силы тяжести и напора, одни авторы объединяют термином «грунтовые воды», другие — термином «фреатические воды». Введение последнего термина, происходящего от греческого слова «фреас» — колодезь, имеет целью подчеркнуть, что только эти воды притекают к колодцам, скважинам и другим водоотборным сооружениям в процессе их эксплуатации.

Подвижные (фреатические) воды насыщенной зоны делят на два типа:

1) флюационные воды, движущиеся в карстовых и пещерных водотоках и по крупных тектоническим трещинам.(«флюационный» — текущий),

2) фильтрационные воды, движущиеся относительно равномерно в проницаемых зернистых (пористых) и мелкотрещиноватых горных породах.

В некоторых задачах подземной гидромеханики приходится учитывать, приток флюационных вод непосредственно к скважинам или к той области, в которой происходит движение фильтрационных вод. Однако движение флюационных вод подчиняется обычным законам гидравлики и потому, если нет специальной оговорки, говоря в дальнейшем о движении подземных вод мы, будем подразумевать, лишь фильтрационные воды. До проведения колодцев, скважин или иных водосборных сооружений фильтрационные воды в пласте могут находиться в покое или в движении. В первом случае будем говорить о неподвижном бассейне подземных вод. Во втором случае (если фильтрационные воды имеют естественную скорость движения) — о естественном подземном потоке.

Фильтрационные воды в свою очередь делятся на два типа: на «воды со свободной поверхностью» и на «артезианские воды» (по-другому, условно, воды первого типа называют «безнапорными», а второго типа — «напорными»).

Воды со свободной поверхностью — это чаще всего воды, насыщающие породу над первым сверху водоупорным пластом, т.е. воды в пласте, имеющем водонепроницаемое ложе, но не имеющем водонепроницаемой кровли. При откачке воды из колодца, проведенного в такой пласт, уровень воды понижается в самом пласте, образуя свободную депрессионную поверхность. Давление на свободной поверхности равно атмосферному (например, случай залегания «подошвенных» вод со свободной поверхностью под залежью газа).

Артезианские воды — это воды, заполняющие пласт по всей его мощности, причем пласт имеет непроницаемые кровлю и подошву, и напор в нем таков, что вода «подпирает кровлю»; в колодцах или скважинах, вскрывших артезианский пласт, вода поднимается выше той части кровли, которая находится по соседству с ними.

Первоначально артезианскими водами назывались только такие, которые обязательно самоизливаются из колодца-скважины на поверхность земли; последний признак для задач подземной гидравлики несущественный; достаточно отметить, что вода в скважине поднимается, выше непроницаемой кровли пласта. Самый термин «артезианский» произошел от названия французской провинции Артуа (в латинизированной форме — Артезия), в которой был известный с 1126 г. самоизливающийся колодезь; этот колодезь давно был описан и с тех пор все колодцы такого типа стали называться артезианскими.

При эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, необходимо упомянуть еще о так называемых краевых (законтурных) и подошвенных водах. Допустим, что, кроме нефти и газа, в том же продуктивном пласте имеется еще вода. Вода, нефть и газ распределяются в продуктивном пласте, как правило, по удельным весам: сверху находится свободный газ, ниже — нефть, еще ниже — вода. Если вода подстилает часть залежи нефти или газа, то такая вода называется подошвенной для данной части залежи и краевой или законтурной для остальной ее части, например на рис. 4 и 5, в разрезе и в плане схематично изображена залежь нефти и газа, частично подстилаемая водой; газ и нефть находятся на своде антиклинальной складки, а вода — на крыльях.

ABC — кровля; DFE — подошва продуктивного пласта; LM — начальный газо-нефтяной контакт; NQ и RT — начальное зеркало подошвенных вод. На рис. 5 линия 1 изображает контур нефтеносности по подошве пласта, линия 2 — контур газоносности по кровле, линия 3 — контур нефтеносности по кровле пласта. Для части залежи внутри контура 1 пластовая вода будет, «законтурной» (кочевой). У забоя скв. № 1 нет подошвенной воды; при эксплуатации скв. № 1 к ней будет подтягиваться «язык» краевой воды. Для части залежи, между контурами 1 и 3, пластовая вода будет «подошвенной». При эксплуатации скв. № 2 к ней будет подтягиваться «конус» подошвенной воды [так называемое явление конусообразования (конинга)]. По мере отбора газа и нефти зеркало вод будет повышаться. Наступит момент, когда пластовая вода проникнет в подошву залежи внутри контура 1; с этого момента вся вода будет подошвенной. Следует заметить, что резкой границы между нефтью и водой в пласте не бывает; переходная зона от воды к нефти иногда простирается на несколько метров по вертикали. Начальное зеркало вод помещают в переходной зоне условно на той отметке, выше которой первоначально добывается чистая нефть, а ниже — нефть с водой. (условно проводится и граница между нефтью и газом, когда над залежью нефти имеется «газовая шапка»). Насыщение водой порового пространства убывает (за счет увеличения насыщения нефтью) постепенно — от 100% в чисто водяной зоне, на крыльях складки, до определенной величины на начальном зеркале. Насыщенность пор водой на начальном зеркале вод и выше его во всей нефтяной залежи не равна нулю.

Честь открытия этого важного факта принадлежит отечественной науке: в 1929 г. грозненские геологи Н. Т. Линдтроп и В. М. Николаев впервые экспериментально доказали, что значительное количество воды может находиться в самой залежи нефти даже тогда, когда скважина дает чистую нефть. Эту воду называют «связанной водой»; при изучении проблем генезиса (происхождения) и миграции (естественного перемещения) нефти ту же воду называют погребенной, реликтовой, сингенетичной.

В настоящее время установлено, что количество связанной воды в нефтяной залежи занимает от 5 до 65% объема порового пространства. Помимо прочих факторов, количество связанной воды в порах нефтеносного пласта зависит от его проницаемости; при прочих равных условиях количество связанной воды в порах тем больше, чем проницаемость пласта меньше. Этим и объясняется, что в одном и том же неоднородно проницаемом пласте условное зеркало вод часто имеет различные отметки в различных частях пласта. Там, где проницаемость пласта меньше, отметка условного зеркала вод может быть выше.

Другие встречающиеся в нефтепромысловой практике системы классификации подземных вод — деление вод на «верхние» и «нижние» и т. д. — к решению задач подземной гидравлики прямого отношения не имеют.