Пластова енергія

Енергія – це фізична величина, яка визначає здатність тіла виконувати роботу.

Робота, стосовно нафтовидобування, є різницею енергій пласта або звільненою пластовою енергією, яка потрібна для переміщення нафти в пласті і далі на поверхню.

Розрізняємо природну і, у випадку введення ззовні, з поверхні – штучну пластову енергію. Вони виражаються у вигляді потенціальної енергії положення та енергії пружної деформації.

Потенціальна енергія положення, Дж

, (1.6)

де М – маса тіла (пластової чи запомпованої з поверхні води, нафти, вільного газу), кг; g – прискорення вільного падіння, м/с²; h_ст – висота, на яку піднято тіло порівняно із довільно вибраною площиною початку відліку (для рідинних тіл це гідростатичний напір), м.

Оскільки маса тіла дорівнює добутку об’єму V та густини ρ

, (1.7)

а добуток

, (1.8)

то потенціальна енергія положення дорівнює добутку об’єму тіла V та створеного ним тиску p:

, (1.9)

де V – об’єм тіла, м³;  – густина тіла, кг/м³; р – тиск, Па.

Отже, чим більша маса тіла М, висота його положення (напір) h_ст або об’єм тіла V і створюваний ним тиск р, тим більша потенціальна енергія положення.

Потенцiальна енергія пружної деформації, Дж,

, (1.10)

де Р = рF – сила, що дорівнює добутку тиску р, Па, на площу тіла F, м², Н; l – лінійна деформація (розширення) тіла, м.

Оскільки приріст об’єму тіла

, (1.11)

то потенціальна енергія пружної деформації

. (1.12)

Приріст об’єму ΔV за пружної деформації можна подати, виходячи із закону Гука, через коефіцієнт об’ємної пружності середовища:

, (1.13)

то потенціальна енергія пружної деформації

, (1.14)

де  – коефіцієнт об’ємної пружності середовища, Па^-1; р – приріст тиску за зміни об’єму V, Па.

Значить, чим більші пружність і об’єм V середовища (води, нафти, газу, породи), тиск р і можливе зниження тиску р, тим більша потенціальна енергія пружної деформації.

Кількості пластової води і вільного газу визначаються розмірами відповідно водоносної області і газової шапки, а кількість розчиненого в нафті газу – об’ємом нафти V_н і тиском р_н насичення нафти газом. Кількість розчиненого газу можна подати за законом Генрі.

, (1.15)

або

, (1.16)

де V_г – об’єм розчиненого газу в нафті, який зведено до нормальних умов, м³; _р – коефіцієнт розчинності газу в нафті, причому його слід розглядати як функцію тиску _р (р_н), м³/(м³∙Па); Г₀ – газовміст (газонасиченість) пластової нафти або, інакше, об’ємна кількість розчиненого газу, яка виміряна за нормальних умов і міститься в одиниці об’єму пластової нафти (тобто нафти за пластових умов), м³/м³.

Поклад нафти має також деяку енергію температурного розширення нафти, що зумовлюється величиною пластової температури. Її також подібним чином можна розрахувати, але через малу величину при експлуатації свердловин нею нехтують.

Звідси випливає, що основними видами (джерелами) пластової енергії є такі:

1) енергія напору (положення) пластової води (контурної, підошовної);

2) енергія розширення вільного газу (газу газової шапки);

3) енергія пружності (пружної деформації) рідин (води, нафти) і породи;

4) енергія напору (положення) нафти;

5) енергія температурного розширення флюїдів.

Характеристиками пластової енергії можна назвати пластовий тиск; пружність рідини (води, нафти), вільного газу і породи; об’єми води і вільного газу, які пов’язані з нафтовим покладом; газовміст нафти; пластову температуру.

Енергії цих видів можуть проявлятися в покладі разом, причому енергія пружності нафти, води, порід проявляється завжди. Наприклад, у нафтових покладах у присклепінній частині активну роль відіграє енергія розширення газу газової шапки, а в приконтурних (периферійних) зонах – енергія напору або пружності пластової води. У нафтовому покладі видобувні свердловини, які розміщені поблизу зовнішнього контуру нафтоносності, залежно від темпу відбирання нафти можуть створювати такий екранувальний ефект, що в центрі покладу діятиме, в основному, енергія розширення розчиненого газу, який виділився із нафти, хоч на периферії відбувається активний прояв енергії напору чи пружності пластової води. Штучну енергію вводять у пласт під час запомповування в нагнітальні свердловини води, газу, пари чи інших витіснювальних агентів. Отже, проявами певного виду енергії можна керувати, а саму пластову енергію – поповнювати з поверхні.

У процесі видобування нафти пластова енергія витрачається на перемагання різних сил опору (внутрішнє тертя у флюїдах – між фазами флюїдів, тертя до обмежуючих потік стінок пор нафтового пласта, труб і т.д.), гравітаційних (під час піднімання нафти у свердловині із вибою на поверхню) і капілярних (ефект Жамена) сил під час переміщення нафти, а проявляється вона при зниженні тиску флюїдів. За рахунок пластової енергії нафта рухається вздовж пласта до видобувних свердловин і може, в деяких випадках, також підніматися у свердловині на поверхню та транспортуватися поверхневими трубопроводами до пункту її збору. Задача технолога в даному аспекті полягає в тому, щоб пластову енергію використати для видобування нафти як найраціональніше.