Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе

А.А. Карцев (ГАНГ им. И.М.Губкина)  Л.А. Абукова, (ИПНГ РАН)

Изв.Вуз. «Нефть и газ»  – 1998. -  № 4.- с. 12-17.

Нефтегазовая гидрогеология, как наука преимущественно прикладного плана, развивается, прежде всего, под влиянием проблем производственного характера. Постоянно возникает необходимость развития и корректирования существующих представлений, имеющих значение для выполнения задач поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений и решения некоторых других вопросов, касающихся нефтегазоносных бассейнов (НГБ). Происходит «переплавка» новых идей, возникших к данному моменту в смежных науках.

В течение последнего десятилетия и на сегодня приоритетные направления в нефтегазовой гидрогеологии определяли и определяют следующие производственные проблемы:

• поиски, разведка и разработка залежей нефти и газа на больших глубинах, в ловушках неантиклинальных типов,  в техногенно-трансформированных геофлюидных (флюидодинамических) системах;

• потребность в альтернативных источниках углеводородов (водорастворенные газы, твердые битумы и т.д.);

• утилизация попутных нефти, газа и вод (водных растворов) в качестве гидроминеральных ресурсов, источника энергии и в других целях;

• охрана окружающей среды.

Общим фоном решения перечисленных проблем в нефтегазовой гидрогеологии являются основные положения о генезисе и миграции вод и водных растворов в НГБ и о роли их в миграции, аккумуляции, консервации и деструкции углеводородов (УВ). В этом плане можно констатировать, что к настоящему времени достаточно прочно установленными в гидрогеологии нужно считать следующие положения [1]:

•  основную массу водных растворов в НГБ составляют седиментогенные и
литогенные растворы;

•  если исключить верхние горизонты - зону гипергенеза- то преобладающий
тип гидрохимических разрезов в НГБ - уменьшение минерализации раство
ров сверху вниз (то, что раньше называлось «гидрохимической инверсией»,
на самом деле - норма);

•  преобладающие пластовые давления в глубоких частях НГБ - супергидроста
тические, то есть те, что часто до сих пор  по дурной традиции называют
«аномально высокими»;

•  в очень многих НГБ природные условия существенно изменены техногене-
зом.

Перейдем к рассмотрению вопросов, связанных с перечисленными выше проблемами. Так, в связи с выходом на большие (и очень большие) глубины особую значимость приобретают вопросы изучения маломинерализованных вод глубоких горизонтов, распространения и генезиса кислых газов, развития флюидогеодинамических систем (ФГДС) различных типов на разных глубинах, выяснения механизмов формирования зон нефтегазонакопления в кристаллическом фундаменте.

Первым в этом ряду, по-видимому, следует выдвинуть вопрос о маломинерализованных водах глубоких частей НГБ. Сюда относятся как конденсационные и солюционные воды, так и литогенные воды дегидратационного происхождения. Всестороннее изучение этих маломинерализованных вод может служить своеобразным ключем к решению проблемы миграции и аккумуляции УВ. Благодаря резко повышенной активности связанных вод на больших глубинах изменяется характер массопереноса, при дегидратации пород обеспечивается наиболее полная эмиграция жидких и газообразных веществ, водных, углеводородных, углекислых растворов из глинистых пород к коллекторы. В этом аспекте весьма важна количественная оценка роли связанных и высвобождающихся (возрожденных) вод в миграционных процессах, сюда должно быть направлено особое внимание [2].

В определенной связи с проблемой глубокозалегающих маломинерализованных вод находится проблема зоны кислых газов в нижних горизонтах НГБ. Решение вопросов о распространении зоны кислых газов, их генезисе и отношении к УВ зависит от накопления материалов бурения на глубины 4-6 км и более. При изучении генезиса газовых ассоциаций чрезвычайно важным индикатором служит гелий, особенно его изотопный состав. Э.М.Прасоловым было убедительно показано, что по соотношению 3 Не/4Не можно судить о примеси мантийногенных компонентов в газовых ассоциациях. По этим данным доля мантийногенных УВ в НГБ не превышает нескольких процентов (в основном метан), как правило же оно на порядок меньше.

Выяснение распространения зоны кислых газов имеет и сугубо практическое значение: совершенно неравнозначно встретить залежь метана или залежь смеси углекислоты, азота и сероводорода.

По-видимому, гидрогеологические условия имеют важнейшее значение для нефтегазонакопления в кристаллическом фундаменте. Возможный механизм здесь сводится к засасыванию вод и УВ из осадочного чехла в раздробленные участки верхней части фундамента, где при растрескивании возникает относительный «вакуум». Как показали В.Д.Кукуруза и В.И.Савченко, миграции способствует соответствующее изменение электромагнитного поля при трещинооб-разовании. Происхождение водных растворов (рассолов) в верхней части фундамента платформ из осадочного чехла доказывается изотопным составом. Несомненна практическая важность данного вопроса: в верхней части фундамента ряда НГБ известны очень крупные скопления УВ.

К нетрадиционным ловушкам нефти и газа при поисках, разведке и разработке которых немаловажную роль могут сыграть гидрогеологические исследования, относятся, в первую очередь, гидравлические (гидродинамические) ловушки, также, по-видимому, литологические и некоторые другие типы. Изучение вопроса о гидравлических ловушках особенно ярко показывает, какое важное (в сущности центральное) значение имеют гидрогеологические условия для аккумуляции УВ, следовательно, и для геологии нефти и газа вообще. Внимание к гидравлическим ловушкам повышается значительно благодаря тому, что по ряду данных, к залежам, частично экранированным гидравлически, относятся такие гиганты как Боливар, Катар-море и ряд других, а также благодаря появлению техногенных гидравлических ловушек (о чем речь пойдет ниже).

Что касается литологических ловушек, то здесь может сыграть немаловажную роль сравнительно недавно начавшая развиваться — нефтегазовая литогидрогеология [3 и др.], которая имеет самое непосредственное отношение к поискам, разведке и разработке месторождений нефти и газа. Было показано, что на базе литогидрогеологических исследований можно выявлять условия размещения эпигенетически ограниченных залежей, имеющих оторочки из потерявших коллекторские свойства пород, зацементированных продуктами взаимодействия УВ и водных растворов. Данное направление нефтегазовой гидрогеологии раскрывает также общие и местные закономерности нахождения вторичных и остаточных коллекторов, которые образуются и сохраняются при существенном участии литогидрогеологических процессов, с которыми связаны многие залежи и части залежей. Для поисков, оценки и решения некоторых вопросов разработки залежей УВ в условиях развития подобных коллекторов литогидрогеологические исследования имеют самое первостепенное значение.

Хотя к настоящему времени для поисков нефти и газа наибольшую важность представляют - в связи с достижением значительной степени изученности нефтегазоносных и потенциально нефтеносных регионов - детальные оценки и выявление относительно мелких скоплений УВ, но все же остаются и задачи оценки крупных территорий и в особенности - акваторий. В этом аспекте интересно выявление связей между распределением различных типов флюидо- (гидро)геодинамических систем (ФГДС) и региональной геодинамикой. Так, активные окраины континентальных плит, которые характеризуются преобладанием погружений и интенсивным осадконакоплением, содержат в основном эксфильтрационные ФГДС. Пассивные окраины континентальных плит, отличающиеся минимальным погружением, слабым осадконакоплением, преобладанием денудации, содержат в основном ФГДС инфильтрационного типа. Наконец, рифтовые и рифтоподобные зоны отличаются особо сложными гидрогеологическими условиями, мозаичным распределением ФГДС разных типов. При изоляции от влияния атмосферы и гидросферы и древнем возрасте пород для них характерно наличие телионных (депрессионных) систем. Но в то же время в относительно молодых толщах, накапливающихся в надрифтовых депрессиях (авлакогенах), развиваются и эксфильтрационные ФГДС.

Исходя из указанных закономерностей, намечаются и более или менее благоприятные условия размещения НГБ, нахождение более и менее богатых по запасам НГБ. С учетом возраста продуктивных отложений более богатые НГБ с преимущественным развитием эксфильтрационных ФДС, следовательно, с активными окраинами континентальных плит, с авлакогенами и т.д. [4].

Здесь уместно отметить еще одно намечающееся ответвление нефтегазовой гидрогеологии. В последние два десятилетия происходит заметное сближение двух ранее далеко друг от друга отстоявших ветвей гидрогеологии - нефтегазовой гидрогеологии и гидрогеологии рудных месторождений. Выяснилось, что формирование ряда типов рудных месторождений, в первую очередь, стратиформных месторождений железа, марганца, полиметаллов, происходит в НГБ при определяющей роли гидрогеологических процессов - миграции дегидратационных (литогенных) и инфильтрационных (атмогенных) вод, в тесной связи с миграцией, аккумуляцией и деструкцией У В [5]. Прикладное значение этого парагенезиса залежей У В и металлов,  существенно контролируемого,  как сказано, гидрогеологическим фактором, заключается в использовании достижений нефтегазовой гидрогеологии при поисках руд и соответственно рудной гидрогеологии - при поисках нефти и газа. Если первое довольно успешно реализуется (например, для руд железа на юго-востоке Западно-Сибирского НГБ), то для второго сделано пока очень мало [6].

Переходим к проблеме техногенеза в НГБ, к гидрогеологическим (в сущности - главнейшим) ее аспектам. Это имеет значение как для поисков, разведки и разработки месторождений нефти и газов, так и для утилизации вод, охраны среды и ряда других вопросов  [7].

Довольно давно было отмечено, что НГБ с незатронутыми существенно техногенезом гидрогеологическими условиями скоро будут редкостью и их придется вносить в своеобразную «Красную книгу». Значительные исследования, посвященные техногенно-измененным гидрогеологическим системам в НГБ, были выполнены Г.П.Волобуевым и Ю.П.Гаттенбергером [2,8]. В результате разработки месторождений нефти и газа, а также проведения некоторых других технологических процессов гидрогеологические условия - распределение давлений, температур, состав водных растворов - во многих случаях изменяются очень сильно, подчас очень резко, со скоростями несравнимо большими по сравнению с природными. Это, в частности, приводит к формированию и переформированию в ряде случаев залежей УВ (особенно хорошо было показано Ю.П.Гаттенбергером).

Техногенез в НГБ проявляется через процессы инжекционного и эжекцион-ного типа. Первые представлены закачкой вод для интенсификации добычи нефти, захоронения промышленных стоков, вторые - извлечением нефти и газа из нефтегазоводоносных пластов и т.д.

Прогнозирование последствий указанных техногенных процессов представляется весьма важным, в том числе и для развивающихся в результате процессов вторичного характера. Эти последние по прогнозируемости можно разделить на три группы: 1) наиболее изученные, количественно хорошо прогнозируемые; 2) средней степени изученности, частично и весьма приближенно количественно прогнозируемые; 3) слабо изученные, прогнозируемые на качественном уровне [7]. К первым относятся изменения гидродинамических условий - образование воронок депрессий, куполов репрессий и т.п. Ко вторым можно отнести различные изменения гидрогеохимических параметров, загрязнение, опреснение вод. В третью группу входят некоторые явления в толщах пород, перекрывающих горизонты, подвергшиеся непосредственному техногенному воздействию, большую роль здесь играет взаимодействие между жидкой и твердой фазами и т.д.

Учитывая последствия и относительную быстроту действия техногенных процессов в НГБ, можно считать, что обеспечить эффект локальных прогнозов по гидрогеологическим данным в районах, затронутых разработкой залежей УВ, значительно сложнее. Прогнозы, сделанные на ранних стадиях освоения НГБ, позже частично утрачивают свое значение, требуют коррекции с учетом изменений ФГДС в реальном времени. Надо заметить, что быстрота изменений присуща не только объектам, затронутым техногенезом, но наблюдается и под действием некоторых природных факторов, например, сейсмических. При этом при природном и техногенном режимах в пространстве проявляются зоны гидрогеологической (гидродинамической и гидрохимической) неустойчивости, для которых характерна особо резко выраженная изменчивость ряда параметров. Изучение этих вопросов необходимо решительно расширять и углублять, практическое их значение, в частности для разработки месторождений нефти и газа, может оказаться весьма большим [7].

Именно в НГБ интенсивно охваченных техногенезом, становится актуальным решение таких задач, как использование (добыча) водорастворенных углеводородных газов (часть этих газов пополняет газовые залежи на поздних стадиях разработки), использование тепла попутных вод, утилизация ценных микроэлементов этих вод, то есть задач, где гидрогеологии принадлежит важнейшая роль. Выполненые до сих пор по этим  направлениям  работы представляются далеко недостаточными [9,10 и др.].

Перечисленные утилизационные задачи в сущности своей относятся и к задачам охраны окружающей среды (которая включает и недра), а именно к рациональной разработке недр, каковая подразумевает комплексность, извлечение всех полезных ископаемых, имеющихся в каком-либо месторождении, в данном случае месторождении нефти и (или) газа. Здесь мы имеем дело с таким направлением нефтегазовой гидрогеологии как экологическая нефтегазовая гидрогеология. Последняя является в то же время частью экологической гидрогеологии вообще.

Экологическая гидрогеология - учение о значении гидрогеологических условий в существовании и развитии биосферы, техносферы, ноосферы [11]. Прикладная экологическая гидрогеология занимается выработкой и обоснованием мер по оптимизации экологических взаимосвязей в системе «гидрогеологические условия <=> ноосфера». Нефтегазовая экологическая гидрогеология, без сомнения, - одна из важнейших ветвей прикладной экологической гидрогеологии (если учитывать огромное влияние на окружающую среду нефтяной и газовой промышленности).

Необходимость учета динамичности режима ФГДС при решении практических задач актуализирует оценку корректности использования данных гидрогеологического опробования, разобщенных по времени получения на многие годы, а то и десятки лет, и требует при необходимости введения соответствующих поправок. Фактической основой прогноза и проектных решений должны стать не столько отдельные разрозненные во времени материалы опробования, сколько результаты слежения за поведением ФГДС в целом или достаточно обширных их элементов. Поэтому одним из приоритетных направлений дальнейшего развития нефтегазовой гидрогеологии надо считать обоснование концепции, принципов, методики, технического обеспечения системы гидрогеологического мониторинга в НГБ, ее сопряжения с другими видами контроля за состоянием недр и окружающей среды.

Надо сказать, что в этой сфере уже был накоплен некоторый опыт, в ряде работ (еще 1970 — 80-х годов) описаны интересные наблюдения за влиянием разработки залежей УВ на весьма отдаленные участки водонапорных систем и верхние гидрогеологические этажи [12 и др.]. Можно выделить две ветви гидрогеологического мониторинга в НГБ - локальную и региональную. Первая включает наблюдения за эксплуатируемыми площадями (разрабатываемыми месторождениями нефти, газов, ценных вод, полигонами захоронения промышленных стоков) непосредственно на этих площадях, вторая - обеспечивает получение информации о фоновых значениях гидрогеологических параметров на относительно удаленных от эксплуатируемых площадей участках, и о происходящих изменениях данных параметров. Совершенно необходимо, чтобы эти две ветви органично входили в общую систему мониторинга.

Важнейшее значение в нефтегазовой гидрогеологии имеют вопросы технологии нефтегазовых и в особенности нефтепромысловых гидрогеологических исследований. В этом плане следует отметить выход в свет в 1997 году монографии коллектива авторов, в основном работников газовой промышленности [13]. Там достаточно подробно освещены вопросы получения и оценки гидрогеологической информации, гидрогеохимического контроля за обводнением газовых залежей, промысловых гидродинамических исследований, технологии захоронения промышленных стоков, экологические и некоторые другие вопросы. 

В заключение можно назвать некоторые вопросы, представляющие большой интерес для решения сформулированных в начале статьи «производственных проблем», но относительно слабо разработанные и потому заслуживающие особого внимания и специального изучения в ближайшем будущем.

Применительно к проблеме поисков залежей нефти и газа в этом плане можно указать вопросы воздействия на ФГДС различных физических полей - акустического, микросейсмического, электромагнитного, что по некоторым данным  [14] существенно влияет на размещение объектов поисков. По проблеме альтернативных источников УВ следует назвать изучение газогидратов, газогидратов на суше (газогидраты в донных осадках морей и других водоемов не могут являться объектами гидрогеологических исследований). Газогидраты на суше, в основном, в пределах геокриозоны (занимающей около 2/3 территории России!), образуясь и распадаясь, участвуют в гидрогеологических процессах, потому могут считаться объектом нефтегазовой гидрогеологии. Подсчеты показывают их колоссальные запасы и практическое значение связанных с ними вопросов вне сомнений.

Наконец, по проблемам разработки нефтяных и газовых месторождений, утилизации сопутствующих вод и связанным со всем этим экологическим проблемам среди других вопросов следует обратить внимание на следующее:

•  закономерности смешивания пластовых водных растворов и искусственно вводимых в пласты вод;

•  влияние промысловых химических реагентов на гидрогеохимические условия в недрах (а таких веществ становится все больше, в практику вводятся все новые вещества и во все больших количествах). Эти реагенты могут вы ступать как токсиканты, например, при использовании вод газовых месторождений в качестве лечебных минеральных вод.

Представленный материал не исчерпывает всего многообразия вопросов современной нефтегазовой гидрогеологии. Незатронутыми остались вопросы развития и совершенствования экспериментальной и лабораторной базы нефтегазовой гидрогеологии, принципов автоматизации, хранения и многоцелевого использования гидрогеологической информации. Последний вопрос частично освещен в работе [15].

Список литературы

  1. Карцев А.А., Вагин СБ., Матусевич В.М. Гидрогеология нефтегазоносных бассейнов. — М. Недра, 1986.- 224 с.
  2. Теоретические основы нефтегазовой гидрогеологии./А.А.Карцев, Ю.П.Гаттенбергер, Л.М.Зорькин и др.; Под ред. А.А.Карцева.-М.Недра, 1992.-208 с.
  3. Использование результатов литогидрогеологических исследований при поисках нефти и газа (на примере Припятского прогиба и некоторых регионов Сибирской платформы) /Карцев А.А., Дмитриевский А.Н., Порошин В.Д. и др.// Обзор. Сер. Геол. методы поисков и разведки месторождений нефти и газа. - М.-.ВИЭМС, 1989. - Вып. 7.- 34 с.
  4. Карцев А.А., Матусевич В.М., Яковлев Ю.И. Связь аномально низких пластовых давлений с рифтогенными зонами Сибири. - Геотектоника, 1989, № 2. — 86-88 с.
  5. Парагенезис металлов и нефти в осадочных толщах нефтегазоносных бассейнов / Д.И.Горжевский, АА.Карцев, Д.И. Павлов и dp.-М.: Недра, 1990. - 268 с.
  6. Павлов Д.И., Карцев А.А. Зоны катагенной разгрузки подземных вод нефтегазоносных бассейнов и осадочный рудогенез. -  Геология рудных месторождений, 1995, том 31, №2. — 122- 131 с.
  7. Плотников Н.И., Карцев А.А. К проблемам техногенных изменений окружающей среды.-Советская геология, 1984, № 4. - 102-108 с.
  8. Волобуев Г. П. Прогнозирование гидрогеологических обстановок в нефтегазодобывающих районах. М., -Недра, 1986.-192с.
  9. Нетрадиционные источники углеводородного сырья. Под ред. В.П.Якуцени / Е. С. Баркан, В.М.Безруков, Г.Д. Гинсбург и др. - М: Недра, 1989. -223 с.
  10. Ходжакулиев Я.А., Абукова Л А.Водорастворенные газы Туркменистана как перспективный источник углеводородного сырья. Ашхабад, Изд-во ТуркменНИИНТИ, 1987:- 45 с.
  11. Карцев А.А. Экологическая гидрогеология. В кн.: Роль подземной гидросферы в истории Земли. — М.: Наука, 1990. - 126-131с.
  12. Зайдельсон М.И., И.Л. Ханин, В.И.Вещезеров и др. Опыт использования гидрогеологических методов для повышения эффек-тивности поисково-разведочных работ на нефть и газ в Куйбышевском Поволжье. В кн.: Гидрогеологические критерии оценки перспектив нефтегазоносности Русской платформы. — Минск, 1971. - 23-26 с.
  13. Технология газопромысловых гидрогеологических исследований/ Ильченко В.П., Акулинчев Б.П., Гирин Ю.Г., Гончаров B.C. и др. - М.: Недра, 1997. - 300с.
  14. Абукова Л.А. Энергоструктура Земли и флюидодинамика (нефгазогеологический аспект). В кн.: Проблемы происхождения нефти и газа. — М.: Наука, 1994. — 47-53 с.
  15. Абукова Л.А. Нефтегазопоисковая гидрогеология: от научных задач до практических решений. — М.: Нефтегазовое хозяйство, 1997,  № 11. — 18-22 с.

Авторы: 

Тематические разделы: