Гидрогеологические исследования при разведке и разработки газовых и нефтяных месторождений

Шугрин В.П.

Главы из кн. «Нефтепромысловая гидрогеология».М., 1993. –115 с.

В процессе разбуривания разведочных площадей и месторождений гидрогеологические наблюдения заключаются в определении статических уровней и пластовых давлений, дебитов, взятии проб на определение ионно-солевого и газового состава, температурных условий пластов и некоторых гидродинамических параметров водоносных горизонтов.

Комплекс перечисленных выше операций называется исследованием скважину и осуществляется с помощью различной аппаратуры. Спуск и подъем необходимых приборов осуществляется при пощади лебедок.

Большой объем информация, накопленный в процессе исследования водяных. нефтяных и газовых скважин в последние десятилетия, позволил гидрогеологам весьма эффективно использовать данные гидрогеологических наблюдений не только на стадии- поясков, но и в процессе разведки и разработки месторождений углеводородов.

В период разведки систематические наблюдения за напорами вод позволяет определять начальные пластовые давления, оценивать степень смещения залежей, определять положение водонефтяных контактов.

Гидрогеологические наблюдения в процессе разработки залежей позволяют судить о режимах залежей, упругом запасе жидкости, фильтрационных свойствах коллекторов, гидравлической сообщаемости различных горизонтов между собой. Перетоки флюидов в другие горизонты в период разработки и эксплуатации могут привести к обводненности залежей.

Особое место занимают гидрогеологические исследования при вторичных методах эксплуатации месторождений нефти и газа, когда наиболее важно выбрать такой состав закачиваемой в пласт воды. которой уже не ухудшит коллекторских свойств пород и тем самым нефтеотдачу.

Учитывать химический состав вод и степень минерализации необходимо в промысловой геофизике, а частности, при интерпретация данных электрометрии. нейтронного гаммаметода, метода наведенной активности и т.д.

Гидрогеологические данные широко используются и для промыслово-технических целей, в частности, для определения мест аварийных притоков пластовых вод в скважину, возможности уменьшения коррозии оборудования, учета продвижения воды и состояния в обводненной части залежи, возможности использования сточных вод для закачки в пласт и способов их очистки.

При современных методах и скоростях проходки скважин особое значение для успешного бурения приобретают вопросы гидрогеологической изученности разреза и установление гидрохимических реперов, позволяющих коррелировать воды различных горизонтов. В качестве коррелятивов обычно употребляются такие параметры, как общая минерализация, отдельные ионы или их соотношения. Основное требование, предъявляемое к выбираемым реперам,  это их постоянство в процессе отбора пробы, подъема на поверхность и до самого момента анализа, а также возможность определения на стандартной гидрохимической аппаратуре.

При бурении разведочных и эксплуатационных скважин в геолого-технические наряды включают данные по водоносным горизонтам с высокими напорами. Проходка таких горизонтов требует ocoбой тщательности в  подготовке утяжеленных буровых растворов.

Имея подробный гидрохимический разрез, можно предусмотреть мероприятия для локализации такого явления, как порча тампонажного цементам агрессивными высокосульфатными водами с большим содержанием углекислого газа в составе растворенных газов.

Для изоляции подошвенных вод успешно применяют химический тампонаж. Суть этого метода заключается в нагнетания в водонефтяной пласт раствора нафтената натрия, подводящего к закупорке пор выпадавшими из раствора нафтенатами кальция. Этот метод, однако, применяется ограниченно при наличии в ионно-солевом составе вод хлоридов и сульфатов кальция.

При определении аварийного притока воды в скважине в результате нарушения целости колонны или негерметичности цементного стакана можно  воспользоваться анализам конно-солевого состава вод. Резкое отличие состава исследуемой воды от состава пластовых вод в данной скважине может быть вызвано аварийным притоком. Для определения места поступления вод в скважину необходимы сведения об ионно-солевом и газовом составе вод как по всему разрезу, так и по отдельным горизонтам. Однако рассматриваемая методика не позволяет выделять воды различных горизонтов, мало отличающиеся друг от друга по ионно-солевому составу.

В отдельных случаях по химическому составу вод в пластах можно выявить наличие или отсутствие сообщаемости между ними и даже коррелировать пропластки а пределах изучаемой площади.

Знание геогидрохимии в процессе разработки помогает в ряде случаев следить за продвижением контура водоносности и нефтеносности, что в свою очередь дозволяет выделять зоны обводненности. По изменению ионно-солевого состава вод в скважинах в процессе разработки модно определять направление и степень интенсивности предвидения вод по пласту.

Для определения путей внедрения а пласт закачиваемой воды, скорости продвижения вод, установления контура "вода - нефть", пользуются рядом химических и радиоактивных индикаторов. Наряду с этим А.М.Никаноров и Д.Н.Щалаев предложили "гидрохимический метод". Суть его заключается в том, что в процессе проникновения в пласт закачиваемая вода в случае резкого отличия по своему составу от пластовых вод может быть использована как своеобразный индикатор.

А.Н.Огильви еще в 1909 г. подсчитал, что при смешении пресных и минерализованных вод получается ряд смесей промежуточного характера.

Позже М.Г.Валяшко и другие исследователи отмечали, что в случае выпадения части солей в осадок процесс смешения не будет определяться уравнением прямой. Поэтому для распознавания и количественной оценки закачиваемой воды было предложено пользоваться ионами хлора, который обычно не участвует в процессе солеобразования при смешении вод.

Сведения о геогидрохимии в процессе искусственного заводнения пласта позволяют контролировать  этот процесс. Для этого определяют основные химические свойства воды, закачиваемой в пласты и воды, находящейся в объекте закачки, с целью предотвращения закупорки пор пласта солями и механическими частицами, выпадающими из воды, и установления нефтевымывающих вод, закачиваемых в пласт.

Наличие в закачиваемых водах повышенного содержания взвешенных веществ, коллоидов, гидрокарбонатов, сульфатов кальция, железа часто приводит к выпадению осадка, закупоривавшего поры и ухудшающего коллекторские свойства пород. Во избежание таких явлений закачиваемую воду предварительно очищают от взвешенных и коллоидных частиц. Закачка в высокотемпературные пласты щелочных вод с повышенным содержанием гидрокарбонатов может привести к выпадению карбоната кальция. Закачка в пласт со щелочной сероводородной водой пресных или морских вод, содержащих в газовом составе растворенный кислород, а в донно-солевом - сульфаты кальция и магния, приводят к выпадению осадка за счет различных химических реакций.. Так, при взаимодействии кислорода и сероводорода выпадает сера,  при взаимодействии сульфата кальция и соды - карбонат кальция.

Следует отметить, что в глинисто-песчаных коллекторах щелочные воды часто вызывают разбухание глинистых частиц, что приводит к снижению пористости и проницаемости. Дело в том,  что в коллекторских толщах глина в виде отдельных частиц наблюдается в порах песчаников. Глинистые слои и пропластки чередуются с песками и песчаниками. Величина глинистости бывает весьма высокой. Монтмориллонитовые, каолинитовые и гидрослюдистые минералы, составляющие глины, имеют хорошую способность к набуханию. Наиболее подвержены набуханию монтмориллонитовые минералы, затем гидрослюдистые а, наконец, каолинитовые. Исследованиями в этой области установлено, что высокоминерализованные (более 50 г/л) воды вызывают наименьшее разбухание глин. Поэтому закачки высокоминерализованных, вод в пласты, содержащие, глинистые прослои, наиболее эффективны.

Как отмечалось ранее, изучение химического состава закачиваемых и пластовых вод позволяет контролировать процесс заводнения и следить за продвижением вод по площади пласта.

Степень интенсивности нефтевымываемости водами разного химического состава различна. Нефтевымывающие свойства вод обусловлены их поверхностной активностью, что в свою очередь, пределяется химическим составом. Щелочные воды обладают наибольшей нефтевымиващей способностью. Наличие малоактивных нефтей позволяет применять поверхностные пресные или морские воды. В случае активных нефтей применяют щелочные воды. При отсутствий щелочных вод используют смеси щелочной-и жесткой воды, хотя при этом может выпадать из раствора карбонат кальция.

Пластовые воды обладают сильными коррозионными свойствами, что приводит к быстрому износу металлического оборудования скважин.

Наибольшими коррозионными свойствами обладают воды, содержащие в составе растворенных газов сероводород и кислород. Повышенные количества сероводорода обусловливаются в значительной степени наличием сульфатредуцирующих бактерий в водах. Повышенными коррозионными свойствами обладают кислые вода и воды, содержащие много  хлоридов и сульфатов.

В процессе эксплуатации нефтяных и газовых месторождений совместно с нефтью получают огромные притоки пластовых вод. Чтобы предотвратить загрязнение поверхностных водоемов этики водами (которые на промыслах известны как сточные), в качестве естественных емкостей для их сброса используют поглощающие горизонты, изолированные от земной поверхности. Кроме того, пластовая вода, извлеченная на поверхность, может быть возвращена в тот же пласт. Заводнение пласта собственной водой является весьма перспективным делом, позволяющим предохранить поверхностные водоемы от загрязнения и  заполнить пласт идентичными по составу водами.

При использовании сточных вод для заводнения нефтеносных пластов приходится учитывать такой важный фактор, как взаимодействие полярных веществ нефтей с породой. В настоящее время  разработан ряд поверхностно-активных веществ, позволяющих увеличить нефтеотдачу на 15-20 % при одновременном увеличении скорости вытеснения нефти и уменьшении  расхода закачиваемой воды.

Практикой установлено, что добавка а сточные воды поверхностно-активных веществ способствует частичному восстановлению проницаемости призабойной зоны. Установлено также, что добавка в закачиваемые води больших количеств поверхностно-активных веществ с последующей закачкой чистой воды более производительна, чем длительное нагнетание вод с малым содержанием поверхностно-активных веществ.

Для того чтобы не снижалась приемистость нагнетательных скважин, закачиваемые воды должны быть свободны от водорослей и микроорганизмов, ржавчины, солевых компонентов, способных в пластовых условиях давать нерастворимые соли. Применение сточных вод, содержащих нефть, приводит к снижению проницаемости призабойной зоны за счет накопления нефти в порах пород, что затрудняет продвижение самой воды. Таким образом, перед закачкой сточных вод в пласт их необходимо очищать  от нефти и взвешенных частиц.

Закачка минерализованной сточной воды предотвращает попадание в пласт сульфатредуцирующих бактерий, что в свою очередь сказывается на замедлении коррозионного процесса. Установлено также, что коррозионная активность сточных вод возрастает при разбавлении их пресной водой. Наибольшая коррозионная активность отмечается при двадцатикратном разбавлении.

§ I. Гидрогеологические наблюдения при бурении  скважин в процессе разведки

В процессе разбуривания разведочных площадей гидрогеологические наблюдения производятся с целью уточнения проводки скважин и вскрытия пласта; определения местоположения различных жидкостных и газовых контактов; установления возможных  гидравлических межпластовых связей; прогнозирования режимов нефтегазоводоносных пластов, комплекс гидрогеологических исследований заключается в определении статических уровней и пластовых давлений, дебитов, взятии проб на определение хими-ческого состава, температурных условий в пластах и гидродинамических параметров водоносных пластов.

Комплекс перечисленных выше операций называется исследованием скважины и осуществляется с помощью различных аппаратов. Спуск и подъем необходимых приборов производится при помощи  лебедок.

Перед гидрогеологическим опробованием скважину необходимо подготовить (освоить).

Освоение скважины заключается в освобождении прискважинной зоны от фильтрата бурового раствора, проникшего в пласты, и заполнении ствола  скважины пластовой водой. Эта задача решается путем откачки жидкости из скважин компрессорным способом или свабированием.

Гидрогеологическое опробование скважин состоит в определении уровней, дебитов и отборе проб на химический анализ.

Для определения положения уровня пользуются электроуровнемером, представляющим собой в схеме два изолированных электрода двужильного кабеля. При достижении электродами поверхности вода в стволе скважины они замыкают электрическую цепь, что вызывает сигнал на поверхности с помощью лампочки или звонка. 3 скважинах, обсаженных колонной, последняя а выполняет роль одного из  электродов.

Для постоянной записи колебаний уровня воды в скважинах применяются пьезографы. Пьезографы автоматически записывают колебания уровня с большой точностью.

В нефтяной гидрогеологии используются также п о г р у ж н ы е  п ь е з о г р а ф  ы. Они опускаются в скважину на глубину от 5 до 20 м ниже статического уровня воды. В пьезографе имеется  поплавок и записывающее устройство. Принцип действия пьезографа основан на том, что при спуске прибора в скважину вода через фильтр заполняет часть его корпуса. Тогда поплавок поднимается на высоту, где давление сжатого воздуха внутри прибора уравновешивает наружный столб воды. При изменении уровня воды в скважине уровень воды в приборе также изменяется. Вертикальные перемещения поплавка регистрируются записывающим устройством.

Наибольшую точность замера колебаний уровня (0,02-0,5 мм) дает прецизионный злектроуровнемер П.И.Косолапова.

В переливающих скважинах избыточное устьевое давление замеряется образцовыми манометрами. В скважинах с установившимся уровнем отбор проб воды производится глубинными пробоотборниками. Наиболее известны пробоотборники: ПД-03,ПА-ЗМ, ПРИЗ-2,  ГПВ-4-700.

Пластовое давление в водяных скважинах определяется расчетным путем по положению статического уровня и плотности воды. Прямое определение пластового давления производится глубинными манометрами

Для замера пластовых температур используют, ртутные, электрические и контактные термометры.

Хорошие результаты получают на максимальных термометрах; их действие основано на изменении объема ртути, заключенной в камере, под влиянием температуры. Для спуска термометра в скважину применяют специальные изолирующие гильзы.

Опробование пластов, вскрытых при бурения, производится в необсаженных и обсаженных скважинах. В необсаженных скважинах опробование производят с помощью испытателей пластов. Она позволяют получить в основном качественную характеристику пласта; выяснить, насыщен ли пласт газом, водой. Наиболее полные сведения получают в результате исследований обсаженных скважин. 3 них опробуют пласты, перекрытые цементом при затрубной цементации обсадной колонны. Для вскрытия такого пласта обсадную колонну и цементное кольцо простреливают с помощью перфораторов. Очистку ствола скважины от глинистого раствора производят промывкой скважины водой через колонну бурильных или насосно-компрессорных труб. Для возбуждения пласта с целью вызова притока пластовой жидкости уменьшают давление столба жидкости в скважине с таким расчетом, чтобы пластовое давление превышало противодавление.

Обычно уровень воды в скважине снижают свабированием или  компрессорным способом . При свабировании используют поршень с обратным клапаном (сваб). В процессе его погружения ниже уровня жидкости клапан открыт, и жидкость свободно заполняет пространство над поршнем. Во время подъема сваба клапан закрывается, и на поверхность извлекается столб жидкости, находящейся выше поршня. При компрессорном способе жидкость из скважины извлекается под действием сжатого воздуха.

Для предотвращения дегазации пластовой воды в скважине оставляют столб воды, давление которого превышает давление насыщения растворенных газов.

Пласт считают неводоносным, если притоки из него не превышают 3 м3/сут.

Откачку воды из пласта производят до установления постоянства ионно-солевого состава. Практически о постоянстве состава судят по содержанию ионов хлора, плотности и величины рН. Их определяют непосредственно на скважине. Состав воды считают постоянным, если в трех последовательно отобранных с часовым интервалом пробах значения плотности рН и содержания хлора одинаковы. Между последовательными отборами проб производят откачку жидкости в количестве не менее 1/3 объема ствола скважины.

Следует учитывать,  что в процессе опробования скважины восстановление ионно-солевого состава воды вначале идет интенсивно, а затем резко замедляется. Принято считать, что если отбираемая вода содержит в своем составе 95 % пластовой воды и 5 % посторонней, то это удовлетворяет предъявляемым требованиям,  так как указанная точность  находится в пределах допустимой ошибки анализа.

Производительность водоносного пласта ориентировочно определяют в период возбуждения пласта по темпу понижения уровня в процессе откачки или по скорости восстановления уровня во время остановки скважины.

Для определения установившегося притока производят откачку воды при постоянном динамическом уровне в течение нескольких суток. Зная объем мерной емкости и время ее заполнения, определяют дебит воды. В переливающихся скважинах дебит замеряют мерной емкостью или с помощью расходомеров.

Переливающиеся скважины обычно исследуют методом установившихся отборов на нескольких режимах. Режим истечения регулируют с помощью шайб или задвижкой на устье скважины. На каждом режиме скважина работает не менее 2 сут. Устьевое избыточное давление замеряют образцовым манометром. Если температура выходящей воды более 30-35°С, то применение метода установившихся отборов требует замеров давленая на забое скважины в процессе работы на каждом режиме. При небольших депрессиях пользуются дифференциальным манометром.

После замера установившегося притока скважину останавливает для определения статического уровня и пластового давления  воды. За восстановлением уровня можно наблюдать с помощью поплавка, электроуровнемера, пьезографа, эхолота и глубинных манометров. При замере поплавком в зависимости от скорости подъема уровня задаются интервалами замеров. Отметив первую глубину уровня, поднимают поплавок или  уровнемер, на определенную высоту и измеряют секундомером время, когда уровень достигает этой отметки. Затем вновь приподнимают прибор на такую же высоту и отмечают время восстановления уровня до этой точки и т.д. При снижении скорости подъеме уровня интервал замера уменьшают. В конечный период при медленном поднятии уровня успешно применяют приборы с автоматической записью - пьезографы или глубинные манометры.

При очень, медленном подъеме уровня его восстановление ускоряют с помощью подлива идентичной по составу воды в скважину. Количество подливаемой воды рассчитывают, исходя из положения статического уровня в соседних скважинах.

На основания полученных замеров восстановления уровня во времени строят кривую восстановления уровня. По этой кривой определяют статическое положение уровня и оценивают коэффициент продуктивности.

В переливающих скважинах измеряют восстановление устьевого избыточного давления им замеряют восстановление уровня, навинчивая трубы над устьем скважины.

Для замеров давления на устье пользуются образцовыми манометрами. Необходимо учитывать, что на устье переливающих закрытых скважин часто скапливается газ, выделяющийся из воды. Его  необходимо периодически удалять из-под манометра; через выпускной вентиль.

Если температура изливающейся воды выше 25-30°С, то в остановленной скважине  устьевое давление поднимается выше статического и лишь затем постепенно снижается до него.

В переливающих скважинах период восстановления давления используют для исследований методом восстановления забойного давления. Для этого на забой скважины опускают дифференциальный  манометр  и  скважину закрывают.

Пластовое давление в водяных скважинах ни замеряют лишь тогда, когда наблюдается  изменение объемного веса жидкости по стволу скважины. Манометрами необходимо пользоваться в остальных случаях, в том числе при изучении притока воды вместе с нефтью.

Для составления типовых гидрогеологических разрезов используют  наиболее представительные анализы вод и газов. Эта разрезы  обычно строят для тех месторождений, где состав вод резко изменчив по разрезу и постоянен по площади. Для месторождений  с резкими различиями гидрогеологических условий по площади составляют типовые разрезы для отдельных участков месторождения или для  для отдельних блоков.

Наряду с разрезами строятся различные гидрогеологические карты по отдельным пластам или горизонтам. На картах изображают минерализацию, величины отдельных компонентов ионно-солевого  и  газового состава, температуру и т.д. Карты строятся в виде изолиний либо качественно различных зон. Изучение таких карт помогает определить изменение гидрогеологических условий условий во времени и установить их взаимосвязь с геологическим строением.  Наиболее распространены карты гидроизопьез, отражающие динамику подземных вод и гидрогеологические профильные разреза. где проводится состав вод, отдельных пластовых горизонтов.

В процессе разведки месторождений нефти к газа данные гидрогеологии позволяют с высокой степенью точности определить начальные пластовые давления, уточнить положение контактов "газ— вода" и «нефть-вода», установить степень смещения залежи под действием движения подземных вод.

Сведения по гидрогеологии в процессе разведки залежей нефти и газа  используются для определения положения газоводяных  контактов и нефтяных оторочек газовых залежей,  а также  для уточнения положения пластов и пропластков месторождений нефти и газа.

Для определения положения нефтяной оторочки газовой залежи в период  разведки В.П.Савченко приводит такое рассуждение. Имея отметку газоводяного контакта, полагаем, что газоводяного контакта, полагаем, что нефтяная оторочка будет расположена не выше этой отметки. При наличии двух замеров статического уровня воды, свидетельствующие о перепаде давления или гидравлического уклона в пределах изучаемой структуры, нефтяную оторочку следует ожидать с той стороны газовой  залежи, где статические уровни меньше. В случае отсутствия здесь оторочки, ее не будет и на других участках структуры.

Статические уровни, химический состав пластовых вод с успехом используются при сопоставлении пластов какого-либо месторождения и, в частности, при сопоставлении линзовидных коллекторских толщ. Однако чтобы использовать химический состав, необходимо наличие однородности состава вод внутри одноименных горизонтов и различие гидрохимческого состава  разновозрастных пластах.

Гидрогеологические данные иногда позволяют выявить разрывные  нарушения по резкому изменению химического состава вод в зонах тектогенеза.

§ 2. Гидрогеологические наблюдения при разработке нефтяных и газовых месторождений

Отличительной чертой эксплуатации месторождений нефти и  газа является постоянное перемещение больших масс жидкости и объемов газа как внутри пластов, так и  в виде межпластовых перетоков.

Особую роль в этих процессах играет вода, в больших количествах закачиваемая в пласты.

В результате длительной разработки и интенсивной закачки воды в пласты естественные водонапорные системы, к который приурочены залежи нефти и газа, превращаются в искусственно созданные "техногенные", "антропогенные" системы.

В процессе разработки путем исследования наблюдательных скважин  уточняется геологическое строение залежей; оценивается сообщаемость залежи с законтурной водоносной зоной; выявляется гидродинамическая связь пластов в многопластовых месторождениях; уточняется упругий запас жидкости и режим.

Особым разделом промысловой гидрогеохимии является изучение изменения химического состава вод в процессе разработки;  изучение их коррозионной способности; изучение и предотвращение выпадения твердых осадков; контроль за закачкой воды в  пласты.

По наблюдательным скважинам осуществляется контроль за изменением пластового давления. По полученным данным строятся карты изобар, позволяющие следить за разработкой залежи.

В процессе эксплуатации залежей гидрохимические показатели меняются во времени. При отборе жидкости из какой-либо скважины минерализация воды может увеличиваться или уменьшаться; меняется ионно-солевой и газовый состав, положение уровней. Эти изменения обусловлены как продвижением к забою скважины новых количеств воды, которая ранее находилась в удаленных участках пласта и имела несколько иной химический состав, так и изменением состава вод за счет физико-химических процессов. В частности, при закачке речной или морской воды, отличающейся от пластовой и содержащей ряд таких химически активных веществ, как кислород и различные соединения сера, в пласте усиливаются окислительно-восстановительные процессы, что приводит к увеличению содержания в водах сульфатов, сероводорода, углекислоты.

В начале пятидесятых годов, когда вопросы закачки воды в  пласт приобрели важное значение, перед геологами встал вопрос  о возможности использования  вод различного состава. При закачке вод, содержащих много железа, коллоидов, взвесей, плохо растворимых гидрокарбонатов и сульфатов кальция, наблюдались случаи выпадения этих составляющих из растворов, что приводило к закупорке пор. Закачка поверхностных вод, содержащих кислород, сульфаты кальция и магния, в пласты со щелочной водой приводили к выпадению в осадок элементарной серы за счет реакции между сероводородом и кислородом, а также  карбонатов кальция, образующихся при взаимодействии сульфатов кальция с содой. Была подмечена и лучшая нефтевымывающая способность щелочных вод по сравнению с жесткими. В то же время оказалось, что в песчано-глинистых породах закачка щелочных вод способствует разбуханию глин, что снижает пористость и проницаемость.

Для увеличение нефтеотдачи при закачке воды в пласт необходимо знать минерализацию и химический состав пластовой  воды и различных участках залежи. Для этого составляются карточки до скважинам с указанием продукций, полученной в процессе эксплуатация.

Данные о минерализации и химическом составе пластовой воды сравниваются с данными по закачиваемой воде. По изменению химического состава определяется появление закачиваемой воды в исследуемой скважине. Изучение этих данных позволяет судить о направлении и скорости продвижения закачиваемой води в пласте.

А.Г.Ахундовым предложена формула для определения пропорций двух смешивающихся вод в составе смесей:

Х=100 (С-В)/(А-В), где

Х- содержание первой воды в составе смеси;

А, В, С - содержание какого-либо компонента, соответственно в первой воде, второй воде, и в образовавшейся воде - ссеси (состав смешивающихся вод известен).

Формула справедлива для тех случаев, когда не происходит вторичных процессов выпадения осадков, выделения газов.

Путем совмещения полученных данных со структурной картой можно получить карту распространения закачиваемых вод. В процессе закачки исследуются процессы смешивания вод, так как установление их присутствия в пласте свидетельствует о наличие зон проникновения, закачиваемой воды. Данные микробиологических исследований используют для определения степени  интенсивности развития судьфатредуцирующих бактерий и связанных с ними процессов сероводородообразования.

Более общие случай смешивания вод изучались Ф.А.Гезаловым, А.М.Никаноровым, Л.Е,Сокирко и др. Эти авторы предлагают на основе подобных данных выбирать компоненты, иаменяющиеся по линейному закону (обычно хлор и натрий), и только их использовать в целях контроля.

Имея полученные описанными выше способами сведения по содержанию  смешивающихся вод в составе находящихся в пласте смесей, можно прослеживать движение пластовых и закачиваемых вод, определять скорости этого движения на различных участках,  расположение языков обводнения и т.п. Для этих целей служат специальные карты замещения  одних вод другими, на которых нанесены выявленные пропорций смешивания разных вод.

Гидрохимический метод контроля заводнения позволяет:

- рассчитывать зоны влияния нагнетательных скважин;

- определять долю нагнетаемой воды в продукции добывающих скважин;

- устанавливать закономерности распространения нагнетаемых вод к подсчитывать количество вторгшихся в залежь нагнетаемых вод;

- определять средние скорости движения вод по отдельным направлениям и скорости продвижения фронта нагнетания и т.д.

Гидрогеохимические методы контроля за обводнением и заводнением залежей нефти обладают рядом значительных преимуществ: они отличаются технической простотой, дешевизной, большей надежностью хотя бы вследствие того, что возможно одновременное использование большого числа параметров (компонентов состава вод).

Глава 12.

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ ПОДЗЕМНОГО ХРАНЕНИЯ НЕФТИ  И ГАЗА

В качестве искусственных подземных газонефтехранилищ используются: а) истощенные нефтяные и газовые пласты; б) водоносные пласты; в) искусственные емкости внутри толщ и массивов водоупорных пород (солей, магматических образований). В любых случаях при проектировании и эксплуатации газонефтехранилищ необходимы знания гидрогеологических условий вместилищ, куда должна производиться закачка газов и жидкостей, прогнозирование изменений этих условии в ходе закачки и после нее, наблюдения за изменениями в процессе работы хранилищ а т.д. Следовательно, должны  проводиться соответствующие исследования, расчеты и т.п.

Газонефтехранилища в земной коре представляют собой специфические искусственные газовые и нефтяные залежи и поэтому изучение вопросов гидрогеологии при проектирования и работе хранилищ можно рассматривать как особое направление в нефтегазопромысловой гидрогеологии.

Широкое распространение подучило хранение газа в водоносных пластах, то есть вариант, при котором гидрогеология имеет наибольшее значение. Хранилища а выработанных нефтеносных и газоносных пластах, обычно тоже заполненных водой (обводненных), характеризуются в основном тем, что гидрогеологические условия там уже более или менее ясны еще до проектирования хранилищ.

При проектировании и сооружении газонефтехранилищ в водоносных пластах главное значение имеет выяснение степени герметичности покрышки над резервуаром (пластом). Для оценки пригодности пласта модно использовать гидрохимический идя гидродинамический методу, при этом рекомендуется следующая схема оценки.

Г и д р о х и м и ч е с к и й  м е т о д. Есдл химические составы вод проектного и вышележащего горизонтов различны, значит, гидравлическая связь и перетоки вод между горизонтами отсутствуют. Следовательно, проектный пласт может оказаться пригодным для хранения газа и нефти (но может и не быть таким, особенно для хранения газа, поскольку газопроницаемость пород выше их водопроницаемости). Если же составы вод проектного и вышележащих пластов одинаковы, то весьма вероятны гидравлическая связь и перетоки между ними и, следовательно, проектный пласт не .пригоден для хранения газа.

Г и д р о д и н а м  и ч е с к и й  м е т о д. Если пьезометрическая поверхность проектного горизонта В располагается  ниже  пьезометрической поверхности вышележащего пласта А, то вероятность перетока из пласта В  пласт А отсутствует, значит, пласт В пригоден для закачки газа и нефти. При обратном  соотношении пьезометрических поверхностей пластов закачка газа в пласт В нецелесообразна.

Полученные таким образом положительные оценки пластов являются предварительными и в последующем должны проверяться специальными  наблюдениями при опытной закачке газа (воздуха) в проектный пласт. Наблюдения (за давлением, уровнями) проводятся в скважинах, пробуренных на вышележащий водоносный горизонт. Эти методу применима и при проектировании захоронений промышленных стоков.

При опытно-промышленной закачке газа с помощью куста наблюдательных скважин уточняются площадные гидродинамические характеристики пласта-коллектора, а путем определения содержания  растворенных в верхних  водах УВ (их наличия или отсутствия, увеличение концентраций) проверяется герметичность покрышки и т.п.

Следующий этап гидрогеологических исследований наступает с момента промышленной закачки газа и продолжается при эксплуатации  газохранилища. На этом этапе следует в основном наблюдать за теми изменениями естественных условий, которые возникают  под влиянием  закачки газа. Цель наблюдений - фиксация утечки газа и "расползания" искусственной газовой залежи (газового "пузыря") по пласту. Главное значение приобретают данные по газовому составу вод, так как в окружающих искусственную залежь водах  прежде  всего изменяются газонасыщенность  и состав газов. Специфика исследований обусловливается также периодичностью  работы газохранилища (периоды закачки сменяются периодами отбора).

Помимо основных задач контроля за утечками и "расползанием" газа при помощи гидрогеологических исследований могут решаться и некоторые другие задачи разведки и эксплуатации подземных газохранилищ.  При помощи регулярных отборов и анализа проб воды (на растворенный газ и ионно-солевые компоненты) из горизонтов,  залегающих выше объекта хранения, можно обнаружить утечки газа и определить их размещение и характер. Одни утечки происходят по трещинным каналам, которые становятся проницаемыми в  результате роста давления при закачке газа, другие приурочены к технически неисправным скважинам. Привязка и диагностика характера перетоков позволяют планировать проведение мер по их ликвидации.

Предложен гидрохимический способ контроля положения (продвижения) контакта "газ - вода" при создании а эксплуатации газохранилищ, пригодный там, где наблюдается закономерное изменение каких-либо гидродинамических параметров по площади пласта-приемника. При эксплуатации газохранилища содержание хлор-иона обычно зависит от объема оттесняемой воды, причем эта зависимость описывается известным уравнением массопереноса. Используя последнее и зная содержание хлора,  можно определять текущие значения объема газа в отдельных секторах газохранилища.

Гидрогеологические исследования при  проектировании и эксплуатации газонефтехранилищ в искусственных полостях в непроницаемых породах носят иной характер. В случае проектировния хранения газа, нефти и других жидкостей в толще каменной соли  проводится изучение гидрогеологических условий в надсолевых отложениях с целью выяснения прежде  всего возможностей развития  соляного карста. При отсутствии потребитлей рассола, накапливающегося  в результате выщелачивания  емкости в соли, проводится изыскание условий его захоронения.

Глава 13.
ОХРАНА ВОД В ЗЕМНОЙ  КОРЕ

Воды и водные растворы в недрах, в том числе в нефтяных и газовых месторождениях, - часть окружающей  нас среды. Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды  в настоящее время являются важнейшими национальными  и международными проблемами. Использование и охрана вод – составная часть охраны окружающей среды и рационального природопользования. Под охраной понимается комплекс мер по сохранению качественного и количественного их состояния, позволяющего использовать их в народном хозяйстве.

Под истощением вод земной коры понимается снижение уровня ниже  пределов, установленных при оценке запасов. Известно много примеров, когда даже высоконапорные горизонты пресных вод истощались. Если водоносный резервуар имеет относительно небольшой изолированный объем, то может наступить полное истощение ресурсов вод. Для ограниченных в размерах и изолированных скоплений вод истощение при эксплуатации - практически неизбежный процесс. Но нередко приходится видеть преждевременное истощение водоносных резервуаров из-за нерационального их использования или потерь, например, излива воды из открытых скважин на  поверхность и т.п. Регулирование работы водозаборов и рациональное расходование добиваемых вод - основа охраны водных богатств земных недр от истощения. Важным подспорьем в борьбе против истощения ресурсов вод в земной коре служит их искусственное пополнение.

Не менее, а может быть и более важной является проблема защиты вод от  загрязнения. Под з а г р я з н е н и е м вод понимается изменение их качества, делающее их непригодным к использованию в первоначальных целях. Воды загрязняются промышленными и коммунально-бытовыми стоками, химическими удобрениями и ядохимикатами с сельскохозяйственных угодий. Один из главных источников загрязнения вод - сброс неочищенных (и плохо очищенных) стоков промышленными предприятиями. В глубокозалегающие водосодержащие пласты промышленные стоки попадают нередко через заброшенные или дефектные скважины, в которые их специально  сбрасывали.

Борьба с загрязнением вод земной коры - часть комплекса  мероприятий по охране окружающей среды. Охрана вод должна начинаться там, где еще не появились сведения о загрязнении с профилактических мероприятий. Предварительные меры по охране вод состоят в изучении возможных источников их загрязнения (будущих), создании наблюдательных пунктов вблизи крупных предприятий и водозаборов, подготовке к очистке и утилизации стоков и отходов, создании систем оборотного водоснабжения (то есть многократного использования одной и той же воды после ее очистки), проектировании надежного предотвращения утечки вредных веществ. Одним из способов защиты вод от загрязнения служит захоронение промышленных стоков в недрах.

Проектирование и размещение производств, которые могут быть источниками загрязнения, должно вестись  на базе специальных гидрогеологических исследований с учетом большей или меньшей защищенности вод земной кора от проникновения в них загрязняющих веществ.

В деле защиты вод земных недр от загрязнения решающее значение имеют гидрогеологические исследования. Вопросы охраны вод выделялись в особую отрасль гидрогеологии. Основные методы охраны литосферных вод следующие:

1) использование вод по замкнутому циклу (оборотное водоснабжение); 2) пополнение запасов вод; 3) барражи; 4) дренажи; 5) захоронение стоков; 6) изоляция водоносных горизонтов в скважинах; 7) установление санитарно-охранных зон. Первые три метода могут быть использованы для охраны вод от истощения я загрязнения, остальные - только от загрязнения.

И с п о л ь з о в а н и е  в о д по з а м к н у т о м у  ц и к л у возможно в первую очередь, для вод,  применяемых для промышленного водоснабжения, и в незначительном объеме - для терминальных вод. Воды после использования и при  необходимости - после очистки закачиваются в пласты, затем  извлекаются снова и т.п.

П о п о л н е н и е  з а п а с о в л и т о с ф е р н ы х  в о д  (за счет речных) применяется для пресных вод неглубоких .горизонтов, иногда в больших масштабах.

Б а р р а ж  - создание барьера повышенного давления ("гидрозавесы"), преграждающего путь загрязненным водам к водозаборам, а также сохраняющего от истощения  воды на примыкающих к нем участках, путем закачки вод в пласт под давлением  через специальные нагнетательные скважины.

Д р е н а ж - откачка загрязняющих вод через специальные скважины (размещающиеся между источником загрязнений и водозабором) для перехвата продвигавшихся к водозабору загрязненных вод. Применяется главным образом для неглубокозалегающих пресных а лечебных минеральных вод. Барражи и дренажи  могут использоваться для любых видов вод в недрах.

З а х о р о н е н и е  промышленных  стоков в водоносных горизонтах и искусственных пустотах внутри непроницаемых пород (солей и т.п.) при строгом контроле помогает предохранять вода вблизи действующих или проектируемых водозаборов от загрязнения этими стоками, возможного при их неконтролируемом растекании. Может применяться для охраны любых вод (включая поверхностные).

И з о л я ц и я водоносных горизонтов в скважных предохраняет их от загрязнения водами иного состава, нефтью или " какими-либо другими загрязнителями, содержавшийся в глубокозалегающих горизонтах, вскрываемых теми же скважинами. Метод может  применяться для любых видов  вод и рассолов в земной коре.

Зоны санитарной охраны создаются в первую очередь на участках водозаборов. В общем случае зона  санитарной охраны состоит из двух поясов: первый (внутренний) пояс - зона строгого режима, второй пояс - зона ограничений. Радиус первого пояса обычно не превышает 50 м, размеры внешнего пояса определяются расчетным путем. Вопросы создания зона санитарной охраны рассматривались В.М.Гольдбергом (1976 г), Ф.М. Бочевером и др. (1979 г. и др.).

При разработке нефтяных и газовых месторождений возникают специфические условия, которые ведут к загрязнению и истощению вод, и в этих условиях из перечисленных методов охраны вод можно использовать лишь некоторые. Для обоснования применения  иных методов следует проводить, предварительные гидрогелогические изыскания. При этом могут составляться специальные карту: карты защищенности  вод,  карты прогнозного районирования техногенных  гидрогеохимических процессов (с показом на них загрязняющих объектов, вероятного продвижения загрязнителей и т.п.) и др. Так, по А..Я.Гаеву (1989 г.), при оценке защищенности вод земной  коры от загрязнении должны учитываться также. гидрогеологические факторы, как преобладание восходящих или нисходящих перемещений вод в разрезе и в пластах, открытость и закрытость водоносных горизонтов.

Можно выделить три наиболее важных аспекта влияния разработки нефтяных и газовых месторождений на гидрогеологические условия.

1. Истощение водоносных горизонтов, а именно: а) истощение нефтегазоводоносных горизонтов при разработке залежей газа и нефти без поддержания давления; б) истощение водоносных пластов, эксплуатируемых для водоснабжения нефтепромыслов. В обоих случаях могут развиваться воронки депрессии, радиус  которых  иногда  превышает  100 км (например, вокруг месторождения Газли). При этом в газонефтеносном горизонте могут происходить прямые потери минеральных и термальных  вод при их попутном извлечении с газом и нефтью, а также могут ухудшаться условия эксплуатации вод – снижаться уровни, дебиты и т.д.

2. Изменение состава водных растворов в нефтегазоводоносных горизонтах при закачке посторонних вод, причем характерны разбавление вод, выпадение осадков, выделение кислых газов. Эти процессы влияют и на условия зксплуатации вод на прилегающих к залежи участках, где могут происходить: а) разбавление  (разубоживание) соленой воды, особенно при значительном оттоке закачиваемой маломинерализованной воды от  контура залежи во внешнее направлении; б) снижение продуктивности водозаборных скважин вследствие солеотложения; в) сероводородное "заражение" вод, приводящее к их непригодности для  использования и к коррозии эксплуатационного оборудования.

3. Влияние на верхние водоносные горизонты. Чаще всего при этом происходит ззагрязнение верхних (лишенных нефти и газа) горизонтов разреза нефтью или засоление их за счет вод нефтегазоносных горизонтов.

Нефть и рассолы проникают в верхние горизонты либо по трещинам через водоупоры, причем трещины могут образовываться или раскрыться при изменении соотношения давления в смежных горизонтах вследствие разработки, либо через скважины при отсутствии изоляции или с дефектным цементным кольцом. Загрязнение приводит к потере верхними водами полезных качеств.

Техногенные изменения в нефтегазоводоносных пластах могут оказывать действие и через перекрывающие залежи толщи пород. Так, создание репрессий иногда приводит к межпластовым перетокам вплоть до грунтовых вод,  к подпору и поднятию уровня последних и, в конечном счете, к заболачиванию местности и подтоплению зданий и сооружений.

Образование депрессий при разработке газовых и нефтяных залежей на естественных режимах иногда приводит к просадкам зонной поверхности и, возможно даже к землетрясениям (последнее не исключается  и при репрессии).

При разработке нефтяных и газовых месторождений в результате аварийных и других неконтролируемых должным образом сливов, получаемых из недр жидкостей, низкого качества промысловых резервуаров и коммуникаций может происходить загрязнение попутными водами нефтегазодобычи водоемов (рек, озер, морей), почв,  растительности и других элементов окружающей среды. Это могут быть нефтяное загрязнение, засолонение, загрязнение минеральными микрокомпонентами. Для прогнозирования этих процессов и  обоснования мер по профилактике и ликвидации загрязнений в числе других необходимы и гидрогеологические материалы. В задачи гидрогеологических исследований с указанными целями входят:

1) выявление загрязняющих свойств попутных вод нефтегазодобычи;

2) определение критериев загрязнения; 3) установление возможностей и условий проведения мер по охране водоемов, почв, растительности и т.д. На базе изучения состава попутных вод могут  проектироваться такие меры, как очистка, использование, выпаривание вод и  рассолов.

Следует несколько подробнее остановиться на гидрогеологических основах захоронения сточных вод нефтяных и газовых промыслов.

Захоронению подлежат сточные воды, которые не могут быть использованы и для которых не могут бать применена какие-либо способы очистки или уничтожения. К этой категории а числе других относятся минерализованные сточные воды (стоки) нефтяных я газовых промыслов. В выработанные нефтегазоносные пласты  захороняются жидкие стоки.

В соответствии с "Положением о порядке использования и охраны подземных вод на территория СССР" сброс сточных вод в поглощающие горизонты разрешается только после проведения специальных гидрогеологических и санитарных исследований. доказывавших малую вероятность влияния сбрасываемых вод на водоносные горизонты, используемые для водоснабжения и в лечебных целях. В поглощающих скважинах вышележащие горизонты должны быть надежно изолированы от загрязнения сточными водами. Закачка допускается только на глубина не менее 800 и (в других странах - и на меньшие глубины). Также обязательны сведения о водозаборах в радиусе 20-30 км.

Авторы: 

Тематические разделы: