Водонапорная гидрогеологическая система и её трансформация при разработке месторождений нефти и газа (на примере Бузулукской впадины)

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Водонапорная гидрогеологическая система

и её трансформация при разработке месторождений нефти и газа (на примере Бузулукской впадины)

Глянцев Алексей Васильевич

Пермь - 2010

Работа выполнена в Оренбургском научном центре Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор географических наук

Нестеренко Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Гаев Аркадий Яковлевич

кандидат геолого-минералогических наук,

доцент Бутолин Александр Панфилович

Ведущая организация: Оренбургский научно-исследовательский

и проектный институт нефти

(ОренбургНИПИнефть)

Защита диссертации состоится "25" марта 2010 г. в 1600 час. на заседании диссертационного совета Д 212.189.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский государственный университет» по адресу: 614990, Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан " " февраля 2010 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 614990 Пермь, ул. Букирева, 15, Пермский государственный университет. Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.189.01 доктору технических наук, профессору В.А. Гершаноку. Факс: (342)237-16-11; E-mail: geophysic@psu.ru.

Ученый секретарь диссертационного cовета,

доктор технических наук В.А. Гершанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из мало изученных вопросов современной гидрогеологии и геологии нефти и газа является движение подземных вод и углеводородов в естественных и техногенно-измененных нефтедобычей условиях, через слабопроницаемые породы покрышек, коэффициент фильтрации которых составляет 10-4-10-6 м/сут и менее. При разработке месторождений нефти и газа многократно возрастают межпластовые градиенты давлений подземных вод, что обусловливает техногенные изменения водонапорной системы. Ее экраны (породы покрышек) характеризуются хотя и очень малой, но отличной от нуля проницаемостью. Эта проницаемость с изменением физико-химических и термодинамических условий может увеличиваться или уменьшаться, но остается относительно невысокой и поэтому эти породы играют роль относительных водо- нефте-газоупоров (Гольдберг, Скворцов, 1986; Дюнин, 2000 и др).

Слабопроницаемые породы защищают горизонты подземных вод от проникновения в них загрязняющих веществ и ограничивают вертикальные движения подземных вод, играя роль геохимических барьеров. Пропуская через себя воду, они сдерживают вертикальную миграцию более вязких жидких углеводородов и ряда химических соединений, взаимодействуя с ними и изменяя качество фильтрующихся вод. При техногенном увеличении градиентов межпластовых давлений возникает необходимость исследования свойств покрышек и миграции воды через них. Свойства покрышек: 1) влияют на экологическое состояние недр и земной поверхности; 2) изменяют характер залежей углеводородов и нефтегазоносных этажей в пределах нефтегазоносных бассейнов и 3) определяют условия эксплуатации месторождений и строительства подземных газохранилищ. Поэтому постановка исследований по изучению движения подземных вод и углеводородов, в естественных и техногенно-нарушенных нефтедобычей условиях, через породы покрышек является актуальной гидрогеологической задачей.

Целью исследований является изучение движения подземных вод в природных и техногенно-измененных условиях через породы покрышек в районах западного Оренбуржья. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- изучить гидродинамические связи между водоносными горизонтами;

- выполнить анализ существующих методов и разработать адаптированную методику для определения коэффициента фильтрации пород покрышек;

- рассчитать величины перетоков подземных вод через породы покрышек в естественных и техногенно-измененных условиях

Объект исследований: Водонапорная система районов нефтегазоносного Оренбуржья.

Предмет исследований: Межпластовые перетоки в водонапорной системе в условиях техногенеза.

Использованные материалы и методы исследований. Основой диссертационной работы послужили данные полевых и лабораторных исследований, полученные автором в 2000-2007 гг. на месторождениях нефти и газа, литературные и фондовые материалы Оренбургского филиала Горного Института УрО РАН, ОАО «ОренбургНИПИнефть», ТФИ по Приволжскому федеральному округу и др.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Установление взаимосвязи между водоносными горизонтами палеозоя, состоящее в преобладании вертикальных движений пластовых вод над горизонтальными (главы 1, 3, 4).

Разработка методических подходов к определению коэффициента фильтрации глинистых пород покрышек, основанных на исследовании керна глубоких скважин (глава 2).

Определение величины и направления перетоков воды через породы покрышек на месторождениях нефти и газа, обусловленных трещиноватостью литифицированных глинистых водоупоров (главы 5, 6).

Научная новизна работы (п. 4 паспорта специальности 25.00.07):

- составлены карты установившихся приведенных уровней подземных вод водоносных комплексов водонапорной системы в Бузулукской впадине;

- изучена связь между пластовым и гидростатическим давлением вод, определяемым глубиной их залегания в водонапорной системе Бузулукской впадины;

- предложена методика определения коэффициента фильтрации глинистых пород покрышек по керну скважин на месторождениях нефти и газа; гидрогеологический водонапорный фильтрация глинистый

- изучена взаимосвязь между водоносными комплексами водонапорной системы; рассчитаны величины перетоков рассолов через породы покрышек в природных и нарушенных нефтедобычей условиях на ряде месторождений нефти и газа, что позволяет оптимизировать технологию их разработки.

Практическая значимость работы определяется возможностью выявить гидрогеологические окна в глинистых породах и водоупорных толщах месторождений нефти и газа, что имеет большое технологическое и геоэкологическое значение в связи с интенсификацией добычи углеводородов и других полезных ископаемых на больших глубинах. Это также важно для охраны подземных вод от загрязнения и обоснования экологически безопасного подземного захоронения сточных вод в глубокие водоносные горизонты, а также выявления путей и скорости движения подземных вод через слабоводопроницаемые породы при уточнении характера взаимосвязи водоносных горизонтов и защищенности подземных вод от загрязнения.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований используются ООО «Оренбургская Проектная Компания» при изучении и моделировании гидрогеологической обстановки на месторождениях нефти и газа Западного Оренбуржья. Имеется акт внедрения.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на региональных конференциях молодых учёных и специалистов (Оренбург, 2003, 2005); на второй Всероссийской НПК: «Проблемы геоэкологии Южного Урала» (Оренбург, 2005); «Стратегия и процессы освоения георесурсов» (Пермь, 2005); на Всероссийской НПК с международным участием (Оренбург-Пермь, 2008); на сессиях Горного института и его Оренбургского филиала УрО РАН (2004-2007 гг.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе три статьи, в журналах, рекомендованных ВАК России.

Личный вклад автора заключается в:

- непосредственном участии в 26 научно-производственных отчетах и проектах по объектам поисков и разведки месторождений нефти и газа на территории западного Оренбуржья;

- разработке методики определения коэффициента фильтрации глинистых покрышек на основе личных лабораторных и полевых исследований;

- том, что автор впервые поднял вопрос о наличии вертикальных перетоков подземных вод между глубокозалегающими водоносными горизонтами, разработал инструментарий и установил направления и величины этих перетоков через породы покрышек на месторождениях нефти и газа исследуемого региона.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 219 наименований. Общий объём диссертации 130 стр., в том числе 21 рисунок и 6 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, доктору географических наук Ю.М. Нестеренко за постоянную помощь и поддержку в процессе работы над диссертацией.

За консультации и полезные советы при написании диссертационной работы автор глубоко благодарит кандидата геолого-минералогических наук Е.Н. Сквалецкого, а также докторов геолого-минералогических наук Т.Я. Демину и П.В. Панкратьева.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первое защищаемое положение: «Установление взаимосвязи между водоносными горизонтами палеозоя, состоящее в преобладании вертикальных движений пластовых вод над горизонтальными» [1-4, 6, 9-12]. Изучением гидрогеологии артезианских бассейнов занимались: А.И. Силин-Бекчурин (1949), Н.К. Игнатович (1944), М.А. Гатальский (1956), А.М. Овчинников (1956-1970), Г.А. Максимович (1955-1978), Н.И. Толстихин, И.К. Зайцев (1967, 1972), В.А. Всеволожский (1971-1991), Е.В. Пиннекер (1977), А.А. Карцев (1969-1992), В.А. Кротова (1956-1979), В.А. Кирюхин (1975-2005), В.И. Дюнин (2000), В.Н. Быков (1973-2004), М.И. Зайдельсон (1969), А.Я. Гаев (1978-2008) и другие. Тем не менее, в настоящее время не существует единых представлений об условиях формирования и движения подземных вод в техногенно имененных условиях.

На основе анализа имеющихся в литературе работ по исследованию динамики движения подземных вод в земной коре, в условиях Южного Приуралья можно выделить четыре фактора обусловливающих их движение:

Питание подземных вод атмосферными осадками, которые поддерживают градиент напора в областях питания.

Плотностная конвенция.

Пополнение артезианских бассейнов элизионными водами.

Естественно и техногенно образованные градиенты напора.

Формирование водонапорной системы и гидродинамического режима верхнего и нижнего гидродинамических этажей тесно связаны с литологическим составом пород и структурно-геологическим строением. Поэтому в диссертации приведена геологическая характеристика разреза и по материалам бурения поисковых и разведочных скважин составлен сводный литолого-стратиграфический разрез (глава 3) исследуемого района.

В геологическом строении впадины участвуют верхнепротерозойские, палеозойские, мезозойские и кайнозойские образования осадочного чехла, залегающего на метаморфических и магматических породах кристаллического фундамента. В разрезе осадочного чехла участвуют терригенно-карбонатные и карбонатные отложения девона и карбона, сменяющиеся терригенно-карбонатными, терригенными, соленосно-гипсоносными толщами перми и выше по разрезу терригенными осадками мезокайнозоя. Чередование терригенных и карбонатных разностей в разрезе является благоприятным фактором с точки зрения создания разности приведённых напоров в водоносных горизонтах, благодаря чему осуществляется движение подземных вод.

При рассмотрении вопроса о взаимодействии водоносных горизонтов и комплексов большое значение отводится водоупорам и их проницаемости. Основными водоупорными слоями в осадочных толщах в соответствии с традиционными взглядами, принято считать галогенные и глинистые породы. Экспериментальные исследования М. Маскет, В.М. Барышева, С.Г. Мовсесян, В.В. Давликамова, Г.Ф. Требина и др. выявили в зоне весьма замедленного водообмена области с относительно интенсивным вертикальным водобменом и перетоком подземных вод через глинистые разделяющие слои.

За геологическое время в глинистых породах формируются макро- и микронеоднородности и разнообразная трещиноватость. На стадиях седиментации, диагенеза, катагенеза глинистые породы преобразуются из высокопористых илов в породы с жесткими структурными связями, способными к трещинообразованию. Трещиноватость глинистых отложений имеет большое значение, и её необходимо учитывать при изучении их проницаемости.

Нами исследовалась проницаемость блоков глинистых пород с микротрещиноватостью. Для этого были поставлены опыты по определению коэффициента фильтрации образцов керна. По завершению опытов образцы были разбиты и сфотографированы для выявления направления и глубины проникновения воды в них (рис. 1, 2). Анализируя полученные фотографии, можно сделать вывод, что основной расход фильтрующейся воды приходится на различно ориентированные трещины в керне. Подобная картина распространения фильтрующейся жидкости по трещинам получена В.И. Дюниным (2000) в глинах и аргиллитах юрского возраста в Западной Сибири.

Рис. 1. Известняк глинистый, афонинский горизонт Рис. 2. Известняк глинистый франского возраста

1 - зона увлажнения керна фильтрующейся водой

Наличие трещиной проницаемости объясняет, во-первых, большое расхождение в определении их проницаемости гидродинамическими, аэродинамическими методами и на образцах в лабораторных условиях. Во-вторых, объясняет движение жидкости в естественных (ненарушенных) условиях через мощные толщи глинистых пород, когда градиенты не достигают начальных значений, наблюдаемых в лабораторных условиях.

Таким образом, в результате многообразных процессов глинистые породы на больших глубинах из тонкодисперсных с преимущественно поровой проницаемостью превращаются в непластичные, монолитные породы, характеризующиеся высокой способностью к трещинообразованию. И их следует рассматривать как породы с жесткими структурно-кристаллическими связями, точно так же, как и породы другого литологического состава: алевролиты, песчаники, доломиты и известняки.

Вопрос о возможности вертикальной гидродинамической связи между водоносными горизонтами осадочного чехла региона до настоящего времени не имеет однозначного решения. Исследования в других регионах с наличием галогенных водоупоров показывают наличие вертикальных перетоков. Так, Л.Г. Каретников и В.И. Дюнин (2000) связывают распределение гидрохимических, газовых и геотермических аномалий в Днепровско-Донецкой впадине с восходящей разгрузкой глубинных флюидов. Максимальные значения вертикальных перетоков через галогенно-карбонатные отложения приурочены к зоне развития тектонических нарушений в присводовых частях положительных структур.

Вертикальная разгрузка минерализованных, металлоносных вод отмечается в горноскладчатых областях. На Памире воды верховых озер, расположенных на высоте 3,8ч4,2 км, имеют минерализацию до 140 г/дм3 и более, обогащены хлором, натрием, карбонатами, сульфатами и рудными компонентами глубинного происхождения (В.А. Кротова, 1978). На Южном Урале воды восходящих источников из рифейских отложений содержат гамму элементов, включая углеводороды, характерные для гидротермальных месторождений (Кротова, 1978).

В Башкирском Предуралье Попов В.Г. (1985) установил связь величин пластовых давлений и конфигурации пьезометрических поверхностей вод замедленного водообмена с характером современного рельефа, подтверждая тем самым их связь с горизонтами зоны интенсивного водообмена через сульфатно-галогенные отложения. Местные области разгрузки соответствуют тектоническим

депрессиям, долинам рек и часто связаны с техногенными факторами (добычей нефти, газа, конденсата, попутных пластовых вод, закачкой промстоков, перетоками по стволам глубоких скважин и др.).

Сделанные В.Г. Поповым и другими исследователями выводы учтены при исследовании формирования и движения подземных вод в осадочном чехле Бузулукской впадины на глубину до 3500 м. В этой части осадочного чехла нами изучены четыре водоносных комплекса: уфимско-нижнеказанский (надсолевой); ассельско-артинский (подсолевой); визейско-нижнемосковский (подсолевой); среднефранско-турнейский (подсолевой) [1-3]. Для выявления наличия взаимосвязи этих водоносных комплексов по вертикали рассмотрены значения пластовых давлений водоносных горизонтов, расположенных на разных глубинах и определены установившиеся приведённые уровни подземных вод. Расчёт произведён по предлагаемой нами формуле:

hст.в. ? ги

Нуст = hабс + ------------ , (1)

г ср.взв.

где hст.в.- высота столба жидкости, м; ги- объёмный вес жидкости поднимающейся в скважине из исследуемого водоносного горизонта, г/см3; hабс - абсолютная отметка опробованного интервала, м; гср.взв - средневзвешенный объёмный вес воды вышерасположенных водоносных горизонтов, он вычисляется по общеизвестной формуле определения средневзвешенных величин, который применительно к приведённому напору имеет вид:

, (2)

где h1…hn- высота слоёв грунта; г1-n- объёмный вес воды в слое грунта h1-n.

Используя установленные приведенные напоры водоносных горизонтов, данные о геологическом строении и гидрогеологических условиях, построены четыре карты установившихся приведенных уровней вод и один гидрогеологический профиль по линии I - I Ливкинская-Новоселовская (рис. 3-7).

Карта установившихся приведенных уровней вод уфимско-нижнеказанского комплекса представлена на рис. 3. Анализ карты выявляет довольно четкую приуроченность повышенных напоров к поднятиям и водоразделам и постепенное снижение напоров к долинам рек. Так в долинах наиболее крупных рек Самары и Бузулука на рассматриваемой территории наблюдаются пониженные напоры (абс. отм. +(57ч133 м)). Понижение напоров прослеживается и в долинах притоков реки Самары - рек Ток, Мал. Уран, Бол. Уран. Купола повышенных напоров (абс. отм. +(203ч249 м)) приурочены к поднятиям в рельефе между реками Ток, Мал. Уран, Бол. Уран и верховье реки Бузулук. Значительная часть разломов на карте приурочена к долинам основных рек Самары и Бузулук.

Карта установившихся приведенных уровней вод первого подсолевого ассельско-артинского комплекса представлена на рис. 4. Распределение повышенных и пониженных напоров комплекса, кроме юго-западной части, в общих чертах соответствует их распределению в уфимско-нижнеказанском комплексе (с большей долей влияния рельефа местности), с небольшим смещением вершин пъезометрических максимумов и минимумов. Соответствие распределения напоров ассельско-артинского и уфимско-нижнеказанского комплексов свидетельствует о взаимосвязи их вод. В юго-западной части района наблюдается понижение установившихся приведенных уровней в южном направлении, что вероятно связано с увеличением влияния тектоники, так как в пермское время поверхность приобрела южный наклон в сторону Прикаспийской впадины.

Тенденция увеличения влияния тектоники на распределение значений установившихся приведенных уровней вод свойственна и ниже расположенному визейско-нижнемосковскому комплексу (рис. 5). Повышенные напоры (абс. отм.

+(72ч80 м)) приурочены к Бобровско-Покровской зоне поднятий, соответствующей внешнему борту Муханово-Ероховского прогиба. Пониженные напоры отмечены в осевой части прогиба (абс. отм. +(42ч45 м)) и к югу от Муханово-Ероховского прогиба (абс. отм. +(12ч27 м)) между Бобровско-Покровской зоной поднятий и Гаршинским разломом. Сравнивая зоны пониженных и повышенных напоров комплекса с зонами пониженных и повышенных напоров вышележащего ассельско-артинского комплекса, в общем плане имеем совпадение этих зон с некоторым смещением и видоизменением. Это может быть связано с изменением геологического строения с глубиной и влиянием тектоники.

Ещё более значительное влияние тектоники прослеживается на карте установившихся приведенных уровней вод нижнего из рассматриваемых комплексов - среднефранско-турнейского (рис. 6). В нем отмечены три зоны

повышенных напоров: 1) восточная (абс. отм. установившихся приведенных напоров +(93ч106 м)) по кристаллическому фундаменту, приуроченная к Покровско-Сорочинскому выступу, 2) юго - восточная (абсолютные отметки +(110ч148 м)), приуроченная к Акъярскому разлому, и 3) юго-западная зона (абс. отм. +(41ч57 м)), приуроченная к Гаршинскому разлому. Если сравнить повышенные напоры в этих зонах с напорами вышележащего визейско-нижнемосковского комплекса, то превышение напоров рассматриваемого комплекса составляет 21ч57 м. Такое превышение свидетельствует о восходящем движении подземных вод в районе Покровско-Сорочинского выступа, Акъярского и Гаршинского разломов.

В центральной части расположена относительно депрессионная зона с отметками напоров (-28 м) ч (+16 м), по простиранию совпадающая с Муханово-Ероховским прогибом, который заложен в среднефранское время. В сравнении с вышележащим визейско-нижнемосковским комплексом наблюдается понижение напоров вод на 60ч70 м, что свидетельствует о нисходящем движении вод визейско-нижнемосковского комплекса в воды среднефранско-турнейского комплекса.

На эту же карту по имеющимся данным падения давления нанесены контуры техногенно измененных приведенных уровней на эксплуатируемых месторождениях нефти. Месторождения выделяются на карте по развитию гидродинамических воронок различных размеров.

На построенном автором гидрогеологическом профиле I-I (рис. 7) в скважинах, находящихся вблизи разломов, наблюдается уменьшение расстояния между установившимися приведенными уровнями среднефранско-турнейского и визейско-нижнемосковского комплексов. На отдельных участках установлены превышения приведенных уровней вод нижнего среднефранско-турнейского комплекса над уровнями визейско-нижнемосковского. Например, в скважинах вблизи разломов на Любимовской и Ливкинской площадях эта разность составила 21ч23 м, а на Новоселовской площади 12 м. В тоже время, на Южно-Михайловской площади приведенные уровни комплексов оказались одинаковыми. Обратная картина наблюдается в скважинах, удаленных от разломов: в скважинах на Погромненской и Старо-Тепловской площадях превышение приведенных уровней визейско-нижнемосковского комплекса над нижезалегающим среднефранско-турнейским составило 58ч69 м.

Рассмотрена связь между пластовым давлением в водонапорной системе палеозоя Бузулукской впадины и глубиной залегания водоносных горизонтов (рис. 8). Большинство точек находится на линии нормального гидростатического давления (?р=1 кг/см2 на 10м) или в непосредственной близости от неё, что свидетельствует, в основном, о прямой пропорциональной зависимости между этими параметрами.

Рис. 8. Связь между пластовым давлением и глубиной залегания горизонтов

1 - линия нормального гидростатического давления; 2 - воды пермского возраста; 3 - воды карбона; 4 - воды девона; 5 - воды карбона с техногенно нарушенным давлением.

То есть, фактическое пластовое давление в водонапорной системе контролируется высотой столба воды и её объемным средневзвешенным весом над точкой замера. Можно утверждать, что значительные отклонения давления от нормального обусловлены техногенными причинами. Тем более, что аналогичные результаты исследований связи между пластовым давлением и глубиной залегания водоносных горизонтов получены В.Г. Поповым (1985) в соседних районах Башкортостана. Гидрогеологический анализ карт установившихся приведенных уровней вод позволяет сделать выводы о взаимодействии водоносных горизонтов водонапорной системы Бузулукской впадине и выявить в ней техногенные изменения.

Таким образом, для водонапорной системы Бузулукской впадины доказано наличие взаимосвязи водоносных горизонтов палеозоя в связи с преобладанием вертикальных движений пластовых вод над горизонтальными движениями. Расчлененность фундамента впадины усиленная разломной тектоникой ограничивает возможность латеральной миграции пластовых вод. Поэтому на исследуемой территории наблюдается преобладание вертикальных движений вод, наиболее интенсивно проявляющихся в периоды активизации неотектонических процессов. При наступлении относительного неотектонического покоя (стабилизации) движение вод продолжает осуществляться по еще незалеченным разломам, имеющим связь с кристаллическим фундаментом и с приповерхностными водоносными горизонтами осадочного чехла. Движение вод происходит также и внутри блоков по микротрещинам, имеющим по нашим лабораторным исследованиям коэффициент фильтрации 0,316 · 10-6 ч 0,105 · 10-5 м/сут, а по данным расчетов - от 0,589·10-6 до 0,134·10-5 м/сут.

Второе защищаемое положение: «Разработка методических подходов к определению коэффициента фильтрации глинистых пород покрышек, основанных на исследовании керна глубоких скважин» [5, 6, 7, 9, 10]. Определение коэффициента фильтрации производилось общепринятыми методами и по методике разработанной автором. Общепринятые методы определения коэффициента фильтрации подразделяются на три группы: 1) полевые гидрогеологические и геофизические; 2) лабораторные и 3) расчетные.

Для полевых определений коэффициента фильтрации пород исследуемой водонапорной системы в их естественном залегании требуется бурение дорогостоящих глубоких скважин, их оборудование и длительное опробование. Лабораторный и расчетный методы являются менее затратными и позволяют проводить массовые определения коэффициента фильтрации. Однако, существующие лабораторные методы имеют ряд своих недостатков: они в основном предназначены для определения коэффициента фильтрации пород нарушенного сложения (главным образом песков); при изготовлении исследуемых образцов из пород другого состава часто не удаётся придать образцам правильную форму при которой возможны измерения, так как породы осадочного чехла платформы легко разламываются и дробятся при механической обработке. Что касается расчетных методов, то они не учитывают в должной мере все имеющие место факторы, и полученные по ним результаты далеко не всегда соответствуют фактической величине коэффициента фильтрации. Недостатком расчетных методов является ещё и недостаток информации об исходных данных. Вследствие этого определить коэффициенты фильтрации расчётным путем на ряде исследуемых территорий не представляется возможным.

Поэтому в диссертационной работе предпринята попытка определить коэффициенты фильтрации слабопроницаемых пород по скорости впитывания воды соответствующей минерализации в керн с ненарушенной структурой [5, 7]. Скорость впитывания находили по изменению веса сухого образца за определенный период времени. До начала опыта определяли его вес и площадь поверхности, затем сушили при температуре 105єС до постоянного веса. Вес образца определяли на весах с точностью до 0,01 г с возможной ошибкой 0,25•10-4 относительно его веса. Образец помещали в герметичный сосуд с рассолом (с концентрацией 220 г/л, равной минерализации пластовых вод). Последующее взвешивание образца производили через 50ч60 суток. Извлеченный из воды образец освобождали от воды на его поверхности фильтровальной бумагой и взвешивали на тех же весах с последующим расчетом коэффициента фильтрации по предлагаемой нами формуле:

, (3)

где Рс - вес сухого образца, г; Рм - вес образца, впитавшего воду за время Т, г; Т - время впитывания воды образцом, сутки; Sобщ - общая площадь впитывания воды образцом, м 2; µ - вязкость рассола при 20єС; г - плотность рассола при 20єС; б- коэффициент учитывающий изменение Sобщ:

, (4)

где R2 сух - радиус сухого образца, см2; R12 - радиус образца за время впитывания Т.

После повторного взвешивания образец вновь помещали в сосуд с водой для продолжения опыта с периодическим взвешиванием через 50ч60 суток. Общая продолжительность опыта в нашем случае составила около года.

По полученным данным построены графики зависимости исследуемых параметров (коэффициента фильтрации и изменения площади впитывания рассола в керн образцов ?S) от времени исследования (рис. 9). На графиках выделено три области, отличающихся по характеру зависимости Кф и ?S от Т:

I - Область неустановившейся скорости впитывания;

II - Область установившейся скорости впитывания;

III - Область, в которой наблюдается неравномерная скорость впитывания.

Результаты определения коэффициентов фильтрации сопоставлялись с параметрами проницаемости керна пород, полученных в лабораторных условиях. На некоторых площадях лабораторные определения проницаемости выполнены нами на приборе ГК-5. Переход от коэффициента проницаемости к коэффициенту

Рис. 9. Графики зависимости коэффициента фильтрации (а) и изменения площади впитывания в керн (б) от времени.

фильтрации осуществлен с использованием формулы В.А. Боревской (1979):

, (5)

где Кпр- коэффициент проницаемости, м 2; г - плотность пластовой воды, кг/м3; м - вязкость пластовой воды, Па·с; б - переводной коэффициент.

Таким образом, разработан методический подход к определению коэффициента фильтрации глинистых пород по керну скважин без специальной подготовки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что предложенный подход обеспечивает точность определения, сопоставимую с традиционными методами (табл. 1): коэффициенты фильтрации, полученные опытным путем, изменяются от 0,316· 10-6 до 0,105·10-5 м/сут, расчетным путем - от 0,589·10-6 до 0,134·10-5 м/сут, и по литературным данным - от 0,540·10-7 до 10-4 м/сут. Расхождения полученных значений находятся в пределах допустимых погрешностей определений. К преимуществам предложенного подхода относятся: невысокая стоимость его применения, возможность использования образцов любой формы и без сложной механической обработки.

Таблица 1.

Коэффициенты фильтрации глинистых пород покрышек

№ п/п	Район	Возраст	Глубина залегания, м	Литологи- ческий состав	Способ определения Кф, м/сут
					опытный	расчетный по методу Боревской В.А.
1	Ливкинская площадь	C1t	3779	известняк глинистый	0,700•10-6	0,589·10-6
2	Ливкинская площадь	D2ar	4498	аргиллит	0,335•10-6	0,795·10-6
3	Веселовская площадь	C1t	3333	известняк глинистый	0,397•10-6	0,635·10-6
4	Веселовская площадь	D3fm	3700	мергель	0,550•10-6	0,758·10-6
5	Каинсайская площадь	D3f	6272-6275	известняк глинистый	0,332·10-6	0,134·10-5
6	Нагумановская площадь	D2ms	5990-5994	известняк глинистый	0,580·10-6	0,117·10-5
7	Кичкасская площадь	D2ml	3393-3398	аргиллит	0,105·10-5	-
8	Нижневартов-ский свод	ранний мел, K	2050-2250	аргиллит	10-4-10-6 *	-
9	Обь-Иртышское междуречье	ранний мел, K	2400-2800	аргиллит	10-4-10-5 *	-
10	г. Удомля	----	1220-1234	аргиллит	0,54·10-7 *	-

* Данные из литературных источников [Дюнин В.И., 1974; Гольдберг В.М., Скворцов Н.П., 1986]

Третье защищаемое положение: «Определение величины и направления перетоков воды через породы покрышек на месторождениях нефти и газа, обусловленных трещиноватостью литифицированных глинистых водоупоров» [1-4, 6-10]. Решением такого рода задач занимались М.А. Гатальский (1956), Г.П. Якобсон (1967), А.В. Лебедев (1976), Е.В. Пиннекер (1977), В.М. Шестаков (1988), В.А. Мироненко, В.Г. Румынин (1983-1999), П.А. Киселев (2002) и др. А.В. Лебедев (1976) решал задачи для неустановившегося движения подземных вод в условиях перетока их через слабопроницаемые слои пород и сделал вывод, что при наличии разности напоров по вертикали устанавливается вертикальная фильтрация воды через эти слои. Объем фильтрующейся воды при этом зависит от коэффициента фильтрации слабопроницаемых пород в вертикальном направлении (Кф,), градиента вертикальной фильтрации (Iв) и начального градиента (Iо).

В результате разработки нефтяных месторождений в процессе эксплуатации пластовых водонапорных систем формируются положительные и отрицательные пьезометрические аномалии с радиусом до 10ч30 км, а на длительно разрабатываемых месторождениях до 100 км. Депрессионные воронки, возникающие в процессе разработки нефтяных залежей с поддержанием пластового давления путем заводнения, вызывают вертикальные перетоки флюидов и загрязнение пресных вод верхних горизонтов. Эти перетоки происходят как за счет негерметичности эксплуатационных и ликвидированных скважин, так и по трещинам, раскрывающимся при резком росте пластового давления в продуктивных пластах (Бачурин, Шишкин и др., 1989).

Нами перетоки вод через породы покрышки в естественных и техногенно измененных нефтедобычей условиях рассчитаны на Веселовской, Ливкинской площадях, Докучаевском, Зайкинском, Загорском месторождениях. Расчеты выполнены для бобриковского, ардатовского, воробьевского водоносных горизонтов, а также для водоносных комплексов в пределах турнейского, фаменского и франского ярусов. При этом были использованы коэффициенты фильтрации пород покрышек, определённые расчетным и опытным путём по приведённой в диссертации методике с применением следующей формулы:

 Кф покр • ?H

Нп = ------------ , (6)

hпокр

где Hп - переток воды через породы покрышки, м/сут; ?H - разность приведенных уровней, м; Кф покр - коэффициент фильтрации покрышки, м/сут, hпокр - мощность покрышки, м.

В естественных условиях на Веселовской площади [6, 9] величина восходящего перетока воды через известняково-глинистую покрышку водоносного пласта Т1 составила 1,3 мм/год. Глубина ее залегания составляет 3350,4 м, толщина 4,4 м, а коэффициент фильтрации 0,397?10-6 м/сут (определён опытным путём). Величина перетока воды, рассчитанная по проницаемости, составила 2,1 мм/год при коэффициенте фильтрации 0,635?10-6 м/сут. Для аналогичной покрышки толщиной 16,4 м и коэффициенте фильтрации 0,366?10-6 м/сут (определён опытным путём) величина перетока составила 0,24 мм/год, а при коэффициенте фильтрации 0,698?10-6 м/сут (определён расчётным путём по проницаемости) - 0,48 мм/год.

Через известняково-глинистую покрышку толщиной в 6,4 м водоносного пласта Дф2, с глубиной залегания 3708,6 м, коэффициентом фильтрации 0,550?10-6 м/сут (определён опытным путём), переток (восходящий) воды составил 1,65 мм/год. При коэффициенте фильтрации 0,758?106 м/сут (определён расчётным путём по проницаемости) переток составил 2,2 мм/год. Через аналогичную покрышку водоносного пласта Дфр2 толщиной 15,6 м при глубине 4059,2 м, коэффициенте фильтрации 0,612?10-6 м/сут (определён опытным путём), переток воды (восходящий) составил 2,0 мм/год, а при коэффициенте фильтрации 0,706?10-6 м/сут (определён расчётным путём по проницаемости) - 2,4 мм/год.

На Ливкинской площади в естественных условиях переток воды (восходящий) через известняково-глинистую покрышку водоносного пласта Т2 составил 0,4 мм/год. Глубина ее залегания составляет 3716,5 м, толщина 31,8 м, коэффициент фильтрации 0,70?10-6 м/сут (определён опытным путём). При коэффициенте фильтрации той же покрышки в 0,589?10-6 м/сут (определён расчётным путём по проницаемости) переток составил 0,3 мм/год.

В нарушенных нефтедобычей условиях решение задач по перетокам вод выполнены на Докучаевском, Зайкинском и Загорском месторождениях [1-4, 8, 10]. На Докучаевском месторождении в турнейском ярусе переток до начала разработки через известняково-глинистую покрышку пласта Т2 на глубине 2731 м составлял в среднем 0,3 мм/год, а после шести лет разработки месторождения составил 5,0 мм/год. На Зайкинском месторождении после 11 лет разработки переток через глинисто-алевролитовую покрышку из пласта ДIII в пласт ДIV составил 4,6 мм/год, а до разработки был в противоположном направлении из пласта ДIV в пласт ДIII и составлял 2,1 мм/год.

Результаты расчёта величины перетока через породы покрышки в естественных и нарушенных нефтедобычей условиях представлены в табл. 2.

Таким образом, решены задачи по определению величины и направления перетоков воды через породы покрышек водоносных горизонтов и комплексов водонапорной системы Бузулукской впадины. Техногенез, вызванный разработкой месторождений нефти и газа, приводит к изменениям пластовых давлений и уровней подземных вод, что может и оказывает негативное воздействие на все компоненты экосистемы: на химический состав подземных и поверхностных вод, на почвы, растительность и животный мир, а иногда - на инженерно-геологические условия местности.

Таблица 2.

Расчёт величины перетока через породы покрышки.

№	Наимено-вание площади, месторож- дения	Воз-раст покрышки пласта	Глубина залегания, м	Величина перетока через покрышку, мм/год (Нп)
				При коэффициенте фильтрации, определённому опытным путём	При коэффициенте фильтрации, рассчитанному по проницаемости
				в естественных условиях	в техногенных условиях	в естественных условиях	в техногенных условиях
				Рнач, МПа	Нп	Ртекущ, МПа	Нп	Рнач, МПа	Нп	Ртекущ, МПа	Нп
1	Веселовская	Т1	3350	37,1	1,3	---	---	37,1	2,1	---	---
2	Веселовская	Т1	3206	35,7	0,25	---	---	35,7	0,48	---	---
3	Ливкинская	Т2	3717	40,9	0,43	---	---	40,9	0,35	---	---
4	Докучаевское	Т2	2731	31	0,3	25,7	5	31	1	25,7	7
5	Загорское	Дфр2	4059	46,9	2(-)	43,6	3(+)	46,9	2 2,4(-)	43,6	4(+)
6	Зайкинское	ДIV	4430	---	---	---	---	47,4	2 2,1(-)	38,5	4,6(+)

(+) переток сверху вниз; (-) переток снизу вверх

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнены исследования мало изученных вопросов современной гидрогеологии и геологии нефти и газа, касающиеся характера движения подземных вод в природных и техногенно-измененных нефтедобычей условиях через слабопроницаемые породы покрышек в водонапорной системе на примере Бузулукской впадины. Коэффициент фильтрации этих пород определен в интервале 10-4-10-6 м/сут и менее. При разработке месторождений нефти и газа многократно возрастают межпластовые градиенты давления подземных вод, что обусловливает техногенные изменения водонапорной системы. Основные выводы сводятся к следующему:

1. Установлено наличие взаимосвязи водоносных горизонтов палеозоя, заключающееся в преобладании вертикальных движений пластовых вод над горизонтальными движениями в водонапорной системе Бузулукской впадины. Составлены карты, отражающие результаты определения установившихся приведенных уровней подземных вод водоносных комплексов. Эти карты позволили уточнить гидрогеодинамические условия водонапорной системы изучаемой территории и характер движения вод.

2. Установлена возможность выявления гидрогеологических окон в глинистых породах и водоупорных толщах месторождений нефти и газа, что имеет большое технологическое и геоэкологическое значение в связи с интенсификацией добычи углеводородов и других полезных ископаемых на больших глубинах.

3. Выполнен анализ существующих методов определения коэффициента фильтрации пород покрышек, разработаны методические подходы и предложена методика его определения по керну скважин без специальной подготовки образцов. Разработанная методика определения коэффициента фильтрации глинистых покрышек в лабораторных условиях позволяет исследовать керн практически любой формы и не требует сложной механической обработки образца. Изучена связь между пластовым и гидростатическим давлением вод, определяемым глубиной их залегания в водонапорной системе.

4. Решены задачи по определению величины и направления перетоков воды через слабопроницаемые породы покрышек на месторождениях нефти и газа водонапорной системы Бузулукской впадины. Определены величины таких перетоков подземных вод через породы покрышек.

5. Изучена взаимосвязь между водоносными комплексами и горизонтами водонапорной системы и рассчитаны величины перетоков рассолов через породы покрышек в природных и нарушенных нефтедобычей условиях на ряде конкретных месторождений нефти и газа, что позволяет оптимизировать технологию их разработки. Уточнены гидрогеологические условия на Ананьевской, Веселовской, Ливкинской, Скворцовской площадях в Бузулукской впадине. Проведена стратиграфическая разбивка пробуренных скважин на этих площадях с выделением пластов-коллекторов и пород покрышек водонапорной системы.

6. Впервые на месторождениях нефти и газа в Бузулукской впадине установлены величины и направления перетоков через породы покрышек глубокозалегающих горизонтов. В естественных условиях величина перетока составила от 0,25 до 2,4 мм/год, в техногенно измененных нефтедобычей условиях от 4,7 до 7 мм/год. Техногенные перетоки приводят к кардинальной смене природной гидродинамической обстановки в недрах вплоть до земной поверхности. Эти техногенные преобразования по своим масштабам сравнимы с геологической деятельностью природного комплекса.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ

1. Изучение взаимодействия водоносных комплексов в нефтегазодобывающих районах Оренбургской области // Литосфера, 2009. № 3. С. 80-86.

2. Техногенные изменения в подземных водах и сейсмичности на месторождениях углеводородов Оренбуржья // Проблемы региональной экологии, 2009. № 6. С. 131-136.

3. Водоносные комплексы Бузулукской впадины и их взаимодействие // Нефтепромысловое дело, 2007. № 12. С. 35-39. (соавтор Ю.М. Нестеренко).

Статьи и материалы конференций

4. Влияние разработки нефтяных месторождений Южного Предуралья на верхнюю часть земной коры // Региональная научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов Оренбуржья. Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ, 2003. С. 87-88.

5. Межпластовые перетоки по разрывным нарушениям и трещинам пород покрышек // Вестник Горного института. Пермь: ГИ УрО РАН. №3, 2003. С. 34-35.

6. Фильтрационные свойства пород покрышек нефтяных месторождений на Южном Урале и методика их определения // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. Пермь: ГИ УрО РАН, 2005. С. 25-27.

7. Микротрещиноватость пород покрышек месторождений нефти и газа и переток воды через них в Южном Предуралье // Вестник Горного института. Пермь: ГИ УрО РАН. №2, 2005. С. 32-34. (соавтор Ю.М. Нестеренко).

8. О методике определения коэффициента фильтрации пород покрышек месторождений нефти и газа в Южном Предуралье // Региональная научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов Оренбуржья. Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ, 2005. С. 266-267.

9. Вертикальные перетоки и миграция подземных вод в глубокозалегающих горизонтах Южного Урала // Материалы второй всероссийской научно-практической конференции. Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ, 2005. С. 228-232 (соавтор Ю.М. Нестеренко).

10. Фильтрационные свойства пород покрышек нефтяных месторождений на Южном Урале и вертикальные перетоки подземных вод // Международная научная конференция «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов». Пермь: ФГНУ ЕНИ, 2005. С. 192-193. (соавтор Ю.М. Нестеренко).

11. Выявление взаимосвязи водоносных горизонтов палеозоя по вертикали в Южном Предуралье // Материалы ежегодной научной сессии Горного института УрО РАН. Пермь: ГИ УрО РАН. 2006. С. 68-70. (соавтор Ю.М.Нестеренко).

12. Влияние объектов нефтяной и газовой промышленности на гидрогеологические системы в нефтегазоносных бассейнах // Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Оренбург-Пермь: ГОУ ВПО ОГУ и др. 2008. С. 229-231. (соавтор Ю.М. Нестеренко).

Размещено на Allbest.ru

...