Гидрогеологическое изучение разрезов скважин. Опробование водоносных горизонтов. Принципы оценки запасов вод в земной коре

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидрогеологическое изучение разрезов скважин. Опробование водоносных горизонтов. Принципы оценки запасов вод в земной коре

Гидрогеологические изыскания и исследования проводятся с целью изучения природных вод в качестве как объекта поисков, т.е. своеобразного жидкого полезного ископаемого, так и геологического явления для получения полной геологической характеристики исследуемой территории. Кроме того, подземные воды могут оказывать весьма вредное влияние, например, при обводнении различных горных выработок, при бурении скважин и т.д. Химический состав природных вод может использоваться в качестве своеобразного индикатора наличия залежей различных полезных ископаемых. природный вода подземный гидрогеологический

В задачу поисков и разведки подземных вод входит выяснение вопросов наличия их в недрах, качества, условий залегания, движения, режима, запасов и т.д.

Гидрогеологические изучение разрезов скважин осуществляется с помощью бурения скважин с последующим опробованием водоносных горизонтов. Пробуренные скважины служат и для эксплуатации вод, например, пресных (питьевых), вод технического назначения (для заводнения при разработке нефтяных месторождений и т.д.).

При разведочном бурении на грунтовые воды в скважинах проводят замеры уровней, по данным которых строятся карты гидроизогипс, отражающие рельеф уровенной поверхности грунтовых вод. Ведутся наблюдения за направлением и скоростями грунтовых потоков. Для этого применяют индикаторы, которые загружаются в специальные загрузочные скважины и затем фиксируются в соседних наблюдательных скважинах. В качестве индикаторов используют красители, электролиты, радиоактивные изотопы.

Разведочное бурение на напорные воды проводится по большей части вращательным способом. Для получения гидрогеологических данных наиболее удобно бурение без промывки, но по технико-экономическим причинам глубокое бурение обычно ведется с промывкой водой или, в крайнем случае, глинистым раствором.

По данным бурения составляется гидрогеологический разрез, определяются глубины залегания и толщины водоносных горизонтов. Весьма важное значение имеют геофизические измерения в скважинах. Электрометрия, помимо литологии разреза, позволяет определять наличие и положение в разрезе горизонтов с пресной и минерализованной водой: горизонты пресных вод отбиваются максимумами на кривых сопротивлений и естественных потенциалов, горизонты с соленой водой или рассолом дают минимумы на кривой сопротивлений и максимумы на кривой естественных потенциалов. Полезно применение термометрии и гамма-метода.

Для определения химического состава вод в скважинах применяется также нейтронно-активационный метод. Ориентировочное определение эффективной пористости и проницаемости водоносных пород может производиться с помощью метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

В разведочных скважинах на напорные воды необходимо замерять статические уровни, давления на устье, температуры и отбирать пробы вод на анализ.

В самоизливающихся артезианских скважинах уровень определяется путем наращивания труб, либо путем замера давления на устье. Исходя из высоты фонтана и диаметра труб, определяется дебит. При отсутствии самоизлива в скважинах, бурившихся с глинистым раствором, перед замером статического уровня проводятся промывка и прокачка воды. Уровень воды в скважине измеряется с помощью различных систем уровнемеров.

По данным бурения создается представление о гидрогеологическом разрезе, определяются водоносные комплексы и горизонты, глубина их залегания и толщины, литологический состав.

При бурении ведется наблюдение за водопроявлениями, причем основным его видом является контроль за промывочной жидкостью. Определение вязкости жидкости на устье скважины и наблюдение за ее изменением во времени наряду с анализом фильтрата промывочного раствора позволяет установить наличие водоносных горизонтов.

Опробование водоносных горизонтов в скважинах составляет важнейшее звено гидрогеологических изысканий. Оно заключается в определении статических уровней и пластовых давлений, дебитов, производительности водоносного горизонта, взятии проб на определение ионно-солевого и газового составов, температурных замерах для определения необходимых гидродинамических параметров пласта.

Особый интерес для гидродинамических исследований представляют пьезометрические скважины. Скважины-пьезометры должны обладать постоянством состава воды и хорошей сообщаемостью с пластом, только тогда изменения пластового давления будут фиксироваться изменением уровня, наблюдение за которым ведется постоянно.

Гидрогеологические исследования следует проводить и в простаивающих скважинах. Исследования в длительно простаивающих скважинах начинаются с определения уровня и отбора пробы воды из приуровенного слоя. Затем проверяются постоянство плотности воды по всему стволу и характер сообщаемости пласта со скважиной.

С помощью глубинного пробоотборника в 4-5 точках ствола скважины, расположенных на равном расстоянии друг от друга, производится отбор воды, и с помощью ареометра или лучше пикнометра устанавливается ее плотность.

В случае смешения пластовой воды с технической вследствие плохой откачки состав будет изменяться, и статический уровень не будет являться истинным ввиду различия плотностей. Для определения истинного статического уровня пластовых вод определяется изменение плотности воды по стволу скважины.

Опробование необходимо для оценки запасов вод, проектирования их эксплуатации и решения других задач.

Комплекс перечисленных операций и задач называется исследованием скважин и осуществляется различными аппаратами, как правило, спускаемыми в скважину. Спуск и подъем различных приборов осуществляются при помощи лебедок, одной из разновидностей которых являются аппараты В.П.Яковлева.

Для измерения уровня воды в скважинах глубиной до 300 м применяются приспособления типа хлопушек, свистков, поплавков и др. Для больших глубин желательно пользоваться электроуровнемером, представляющим собой два изолированных контакта двужильного кабеля. При достижении поверхности воды в стволе скважины контакты замыкают электрическую цепь, и наверх передается сигнал (лампочка, звонок). В скважинах, обсаженных колонной, последняя выполняет роль одного из контактов.

Для постоянной записи колебаний уровня воды в скважинах применяются пьезографы и лимниграфы.

Широко известны пьезографы В.П.Яковлева, пьезограф ППИ-2 И.М.Иванова и др., описания которых и принцип работы приведены в учебнике «Нефтегазовая гидрогеология» (2001 г.). В переливающих скважинах избыточное устьевое давление замеряют образцовыми манометрами. Глубинные пробы воды, с сохранением пластового давления, отбирают при помощи глубинных пробоотборников. Широко известен пробоотборник ПД-3М фирмы «Кастер» (рис.27).

Пробоотборник фирмы «Кастер»

На рис.27 показан прибор для отбора проб флюида на глубинах более 100 м. Прибор герметизируется на поверхности и открывает камеру пробоотборника через заданный период времени, регулируемый часовым механизмом. Максимальные давления и температура, при которых прибор сохраняет свою работоспособность 70 МПа и 300°С. Рабочие глубины - 100 м (минимум) - 5000 м (максимум). Емкость приемной камеры проб отборника может быть от 250 до 1000 мл. При объеме приемной камеры, равном 500 см^З, параметры его следующие: длина 1780 мм, диаметр 32 мм, масса 6,2 кг. Основными частями пробоотборника (рис.27) являются: выпускной клапан 8, сдвоенный обратный клапан 7, механическое (шариковое) запирающее устройство 2, программный часовой механизм 1, шток штанги толкателя 9 с упором 5, камера 4, диафрагма 10, уплотнительное кольцо 3. Когда внутреннее давление в камере плюс давление, создаваемое пружиной обратного клапана 6, выравнивается с внешним давлением, клапан закрывается и герметизирует пробоотборник (В. П. Ильченко, Б. П. Акулинчев, Ю. Г. Гирин и др., 1992).

Пластовое давление в водяных скважинах определяется расчетным путем по положению статического уровня и плотности воды. Прямое определение пластовых давлений производится глубинными манометрами. Наиболее распространены манометры с непрерывной регистрацией показаний (самопишущие глубинные манометры МГТ-1 и МГГ-2У). Основным рабочим элементом данных приборов является пустотелая многовитковая пружина - геликс. При повышении давления, действующего на внутреннюю полость геликса, пружина разворачивается, причем угол раскручивания пропорционален передаваемому давлению. Для больших глубин рекомендуются манометры МГН-2 фирмы «Кастер».

При отборе проб растворенного газа для определения температуры воздуха и барометрического давления применяются термометры и барометры-анероиды. Изменения атмосферного давления регистрируются барографами-самописцами.

Опробование пластов, вскрытых при бурении, производится в необсаженных и обсаженных скважинах. В необсаженных скважинах предварительное опробование производится с помощью испытателей пластов. Наиболее распространены пластоиспытатели, опускаемые в скважину на бурильных трубах и известные под названием комплекта испытательных инструментов (КИИ).

Наиболее полные сведения получают в результате исследований обсаженных скважин. В обсаженных скважинах опробуются пласты, перекрытые цементом при затрубной цементации обсадной колонны. Для вскрытия такого пласта обсадную колонну и цементное кольцо простреливают с помощью перфораторов. Очистка ствола скважины от глинистого раствора производится промывкой скважины водой через колонну бурильных или насосно-компрессорных труб.

Для возбуждения пласта с целью вызова притока пластовой жидкости давление столба жидкости в скважине уменьшают 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).

Откачка воды из пласта производится до установления постоянства ионно-солевого состава. Практически о постоянстве состава судят по содержанию ионов хлора, величине плотности и рН. Эти определения производятся непосредственно на скважине. Состав воды считается постоянным, если в трех последовательно отобранных пробах воды значения плотности, рН и содержания хлора одинаковы. Между последовательными отборами проб производят откачку жидкости в количестве не менее одной третьей части объема ствола скважины.

Производительность водоносного пласта ориентировочно определяется 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 переливающих скважинах дебит замеряется мерной емкостью или с помощью расходомеров. Переливающие скважины обычно исследуются методом установившихся отборов на нескольких режимах. Режим истечения регулируют с помощью шайб либо задвижкой на устье скважины. На каждом режиме скважина работает не менее двух суток. Устьевое избыточное давление замеряется образцовым манометром. Если температура выходящей воды более 30-35⁰С, то применение метода установившихся отборов требует замеров давления на забое скважины в процессе работы на каждом режиме. При небольших депрессиях пользуются дифференциальным манометром ЛГМ-4. После замера установившегося притока скважину останавливают для определения статического уровня и пластового давления воды.

За восстановлением уровня можно наблюдать с помощью поплавка, уровнемера, пьезографа, эхолота и глубинных манометров, в частности, поршневых манометров МГП, обладающих растянутым бланком записи давления. При очень медленном подъеме уровня его восстановление ускоряют с помощью долива идентичной по составу воды в скважину. Количество доливаемой воды рассчитывается исходя из положения статического уровня в соседних скважинах.

По полученным замерам восстановления уровня во времени строится кривая восстановления уровня (рис.28). По этим кривым определяют статическое положение уровня и оценивают коэффициент продуктивности.

Кривые восстановления уровня водяных скважин месторождения Узень (по Ю.П.Гаттенбергеру)

Восстановление уровня до статического положения: а - быстрое, б - медленное, в - уровень не установлен до статического положения

В переливающих скважинах измеряется восстановление устьевого избыточного давления или восстановление путем навинчивания труб над устьем скважин. Для замеров давления на устье пользуются образцовыми манометрами. При этих замерах необходимо учитывать, что на устье переливающих закрытых скважин зачастую скапливается газ, выделяющийся из воды. Его необходимо периодически удалять из-под манометра через выпускной вентиль. Кроме того, если температура изливающейся воды выше 25-30°С, то в остановленной скважине устьевое давление поднимается выше статического и лишь затем, снижаясь, подходит к уровню статического. В переливающих скважинах период восстановления давления используется для исследований методом восстановления забойного давления. Обычно на забой спускается дифференциальный манометр ДГМ-4 и затем скважина закрывается. Пластовое давление в водяных скважинах не замеряют в тех случаях, когда наблюдается изменение плотности по стволу скважины. Использование манометров необходимо как при отсутствии таких изменений, так и при получении притока воды вместе с нефтью.

После выравнивания уровня замеряется газонасыщенность пластовой воды, и отбираются пробы воды с растворенным газом с помощью пробоотборников.

Геотермические условия наблюдаются в скважинах, находящихся в покое не менее 15 сут. Замер температуры производится термометрами через равные интервалы по всему стволу скважины. Например, термометром типа «Сириус-1» (рис.29).

Геликсный термометр «Сириус-1»

Скважинные термометры типа «Сириус» созданы на базе геликсных манометров МГН-2. Термоприемник прибора выполнен в виде змеевика 1, полость которого сообщается с полостью геликсной пружины 2. Свободный конец этой пружины соединен с промежуточным валиком 3, на котором укреплена втулка 4, несущая на боковой поверхности пишущее перо 5. Температура записывается на диаграммном бланке, вставленном в барабан 6, который своими выступами поступательно перемещается по пазам в трубе 8. Движение барабана осуществляется с помощью часового привода 10, вращающего через редуктор 9 ходовой винт 7. Пределы измерения температуры таким термометром в °С: от 0 до 250. Длина прибора 2 м, диаметр 32 мм, масса 10 кг (В.И.Ильченко, Б.П.Акулинчев, Ю.Г.Гирин и др., 1992). В зонах залегания литологически однородных пород делают не менее двух замеров на разной глубине. Следует измерять температуру у подошвы и кровли толщ, различных по литологическому составу.

На основе замеров температуры строится кривая ее изменения с глубиной, подсчитываются величины геотермических ступеней и геотермических градиентов интервалов литологически однородных пород. Определение пластовой температуры производится с помощью ртутных термометров, опускаемых в герметичных камерах на нужную глубину. Термометр помещается в герметичную гильзу ртутным шариком вверх. Во избежание стряхивания ртути из капилляра при ударах о стыки колонны во время подъема его следует производить медленно. Пробоотборники ПД и глубинные манометры снабжены термометрами, поэтому пластовая температура измеряется одновременно с отбором глубинных проб и замером давления.

Результаты анализов пластовых вод зависят от способов и места отбора. Особо изменчивы количество и состав растворенных газов. Сравнительно близкий к истинному состав растворенных газов получается в пробах, отобранных у забоя скважины. В приустьевой части скважины большая часть растворенных газов удаляется из воды во время ее движения от забоя к устью, что приводит к изменению первоначального состава газов. Процесс дегазации активизируется и соответственно увеличивается изменение химического состава растворенных газов при наличии в стволе скважины свободного газа, причем, чем больше газосодержание, тем глубже дегазация вод.

Принципы оценки запасов вод в земной коре. Целесообразность использования вод земной коры, как и других полезных ископаемых, может быть определена на основании данных о величине их запасов. Под запасами полезного ископаемого обычно понимается массовое его количество, заключенное в недрах. Но воды, в отличие от других полезных ископаемых (твердых, нефти и газа), имеют особенности, не позволяющие оценивать целесообразность их использования по величине запасов в указанном понимании.

Главной особенностью запасов литосферных вод (преимущественно пресных), по сравнению с запасами других полезных ископаемых, является частичная возобновляемость, обусловленная их подвижностью.

В отличие от всех других полезных ископаемых, эксплуатация пресных вод во многих случаях является фактором, вызывающим не только их расходование, но и пополнение, связанное с изменением условий водообмена. Так, эксплуатация вод и соответственно понижение их уровней могут вызвать возникновение или увеличение фильтрации из рек, уменьшение или прекращение естественной разгрузки, возникновение или усиление перетоков из смежных горизонтов.

Дополнительное питание вод земной коры возможно в результате водохозяйственных мероприятий (гидротехническое строительство, орошение), а также искусственного пополнения (магазинирование). В этих случаях может происходить формирование новых водоносных горизонтов и усиливаться питание существующих.

Другой особенностью вод, как полезного ископаемого, является непрерывность их потребления, что вызывает необходимость постоянного отбора воды из недр в заданном количестве. Отбор воды из недр может осуществляться водозаборными сооружениями (в основном скважинами), производительность которых определяется фильтрационными свойствами пород, глубиной уровня, а также техническими условиями эксплуатации.

В настоящее время известно много классификаций запасов литосферных вод, различия между которыми носят преимущественно терминологический характер.

В качестве примера приведены категории запасов, предложенные Н.Н.Биндеманом. Запасы и ресурсы подразделяются на: 1 - естественные; 2 - искусственные; 3 - привлекаемые; 4 - эксплуатационные.

Под естественными (емкостными) запасами понимается объем гравитационной воды, заключенной в порах и трещинах водовмещающих пород. Для напорных вод к естественным запасам относятся также упругие запасы. Под последними понимается объем воды, который может быть извлечен из пластов при снижении уровня вод за счет упругих свойств воды и горных пород. Естественные запасы литосферных вод имеют размерность объема.

Естественные ресурсы -- это количество вод, поступающих в водоносный горизонт в естественных условиях путем инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации из рек, перетекания из выше- и нижерасположенных водоносных горизонтов, притока со смежных территорий. Они равны сумме всех приходных элементов баланса данного горизонта, выражаются в единицах расхода и могут быть определены также по сумме расходных элементов баланса (испарение, транспирация растительностью, родниковый сток, фильтрация в поверхностные водотоки и водоемы, перетекание в смежные горизонты и т.д.).

Искусственные запасы -- это объем вод в пласте, сформировавшийся в результате орошения, фильтрации из водохранилищ, искусственного пополнения вод.

Искусственные ресурсы -- это расход воды, поступающей в водоносный горизонт при фильтрации из каналов и водохранилищ, на орошаемых площадях.

Привлекаемые ресурсы -- это расход воды, поступающей в водоносный пласт при усилении его питания, вызванном эксплуатацией водозаборных сооружений (возникновение или усиление фильтрации из рек, озер, перетекание из смежных, обычно расположенных выше водоносных горизонтов, и т.п.).

Понятие «эксплуатационные запасы» и «эксплуатационные ресурсы» вод являются, в сущности, синонимами. Под ними понимается то количество вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного срока водопотребления. Эта величина, таким образом, представляет собой производительность водозабора и выражается в единицах расхода (обычно в тыс. м³/сут).

При решении народнохозяйственных проблем первостепенное значение имеет оценка эксплуатационных запасов (ресурсов) вод, так как только ее результаты могут служить основанием для строительства водозаборов. В то же время оценка естественных запасов (ресурсов) подземных вод может иметь и самостоятельное значение для решения ряда общих геологических задач (определение скорости водообмена, возраста вод и т.д.) и специальных задач (оценка подземного стока в реки, моря, океаны и т.д.).

Для понимания структуры эксплуатационных запасов литосферных вод используется балансовое уравнение

где Q_э -- эксплуатационные запасы (ресурсы); Q_t, q_и -- соответственно естественные и искусственные ресурсы; Vе, Vи -- соответственно естественные и искусственные запасы; (Q_пр - привлекаемые ресурсы; t - время, на которое рассчитываются эксплуатационные запасы подземных вод; б₁, б ₂, б ₃, б ₄ - коэффициенты использования, соответственно, естественных ресурсов, естественных запасов, искусственных ресурсов и искусственных запасов.

Как следует из приведенного выше уравнения, эксплуатационные запасы вод могут быть обеспечены источниками формирования или на определенный период эксплуатации, или на неограниченное время. В последнем случае источниками формирования эксплуатационных запасов являются естественные и искусственные ресурсы, а также привлекаемые ресурсы (если они, в свою очередь, обеспечены на неограниченный срок эксплуатации), так как при t>? второй и четвертый члены правой части уравнения превращаются в нуль.

Структура эксплуатационных запасов определяется гидрогеологической и гидрологической обстановкой, характерной для каждого типа месторождений вод в земной коре.

Таким образом, оценка эксплуатационных запасов вод заключается в определении возможной производительности водозаборного сооружения при заданном понижении уровня вод или в прогнозе понижения уровня в них при заданной производительности.

В нефтегазопромысловой гидрогеологии наиболее часто подземные воды чисто водоносных горизонтов используются в технических целях и, прежде всего для закачки воды в разрабатываемую залежь нефти для поддержания пластового давления (ППД).

В соответствии с классификацией Государственной комиссии по запасам (ГКЗ, 1997 г.) по степени изученности условий формирования, количества и качества подземных вод, условий эксплуатации и степени подготовленности, эксплуатационные запасы подземных вод подразделяются на:

освоенные - категории А;

разведанные - категории В;

предварительно оцененные - категории С₁;

выявленные - категории С₂.

Каждая категория запасов служит основой для выполнения определенных стадий проектных решений по подготовке месторождений к дальнейшему изучению или освоению

Эксплуатационные запасы подземных вод по условиям освоения, а также хозяйственному и экономическому значению подразделяются на две группы: балансовые и забалансовые. Примером использования подземных вод для ППД в Западной Сибири служат воды апт-альб-сеноманских отложений, которые по своим количественным и качественным характеристикам удовлетворяют главным требованиям, предъявляемым к ним. Это, прежде всего, огромные эксплуатационные запасы, химическая совместимость закачиваемых и пластовых вод продуктивных горизонтов, отсутствие сульфатвосстанавливающих бактерий и кислых газов и т.д.

Другим примером служат воды триас-юрского комплекса, которые используются для ППД для месторождений севера Тимано-Печерской нефтегазоносной провинции.

Во ВНИИнефти в гидрогеологической лаборатории, возглавляемой В.П.Дьяконовым, накоплен огромный опыт по комплексному изучению подземных вод нефтяных и газовых месторождений с целью освоения залежей углеводородов.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается гидрогеологическое изучение разрезов скважин?

2. Каковы особенности опробования водоносных горизонтов?

3. Каков принцип работы пробоотборников?

4. Каковы особенности геотермических исследований?

5. Какие категории запасов существуют?

6. Какие есть требования к эксплуатационным запасам вод, используемых для заводнения?

Размещено на Allbest.ru