Обоснование гидродинамических условий захоронения жидких отходов при добыче и подземном хранении газа

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность: 25.00.17 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Обоснование гидродинамических условий захоронения жидких отходов при добыче и подземном хранении газа

Соколов Александр Федорович

Москва 2006

Работа выполнена в ООО "Научно - исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ"

Научный руководитель - доктор технических наук В.А. Николаев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор С.Н. Бузинов,- кандидат геолого-минералогических наук Б.П. Акулинчев

Ведущая организация - РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Защита диссертации состоится " 28 " июня 2006 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 511.001.01 при "Научно - исследовательском институте природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ" по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка, ВНИИГАЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ».

Автореферат разослан « 27 » мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,д. г.-м. н. Н. Н. Соловьев

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Проектами обустройства крупных месторождений и подземных хранилищ газа (ПХГ), как правило, предусматривается закачка очищенных жидких отходов в глубокозалегающие водоносные пласты, не являющиеся источниками промышленного и бытового использования.

Научное обоснование выбора водоносных пластов для захоронения жидких отходов газодобывающей отрасли - сложная и ответственная задача, при решении которой необходим учет многих факторов. Основными из них являются геологические (литология пластов и минералогический состав глинистой составляющей, неоднозначность фильтрационно-емкостных свойств), физико-химические (состав пластовых вод и несовместимость закачиваемых вод и отходов с пластовыми водами и водовмещающими породами), технологические (состояние скважин) и организационные.

Основное внимание необходимо уделять обоснованию гидродинамических условий захоронения жидких отходов при добыче и подземном хранении газа. Следует заранее прогнозировать динамику приемистости нагнетательных скважин, установить конкретные источники образования и физико-химические свойства жидких отходов производства, возможности и условия их захоронения в выбранных геологических объектах.

Задача обоснования выбора пластов, как наиболее подходящих объектов для захоронения отходов газового производства, особенно важна не только для регионов Крайнего Севера, где природные геоэкологические условия крайне хрупки, но также для обжитых и обустроенных районов страны, в которых находятся ПХГ: любое неадекватное воздействие на водоохранные зоны может привести к негативным экологическим последствиям. Это и определяет актуальность темы диссертации.

Цель работы

Обосновать с использованием результатов экспериментальных исследований условия геоэкологически безопасного захоронения жидких отходов при добыче и подземном хранении газа.

Объект исследования

В качестве объектов исследования выбраны действующий полигон захоронения промстоков на Касимовском подземном хранилище газа (Рязанская область) и вновь создаваемый полигон захоронения на Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении.

Основные задачи исследований

1. Спроектировать и изготовить лабораторную установку для моделирования захоронения жидких отходов газодобывающей отрасли в водоносных пластах:

провести анализ геологических условий залегания и строения водоносных пластов Касимовского ПХГ и Заполярного месторождения;

провести анализ физико-химических свойств пластовых, поверхностных вод и промстоков;

провести минералогический анализ глинистых компонентов в пластах-приемниках. захоронение пласт добыча газ

2. Разработать методику проведения экспериментальных исследований гидродинамических условий захоронения в водоносном пласте-приемнике жидких отходов при добыче и подземном хранении газа на лабораторных моделях, включающую исследования:

процессов вытеснения пластовой воды промстоками различной минерализации и разного состава;

геохимических массообменных процессов при вытеснении пластовой воды промстоками;

по влиянию на приемистость водоносного пласта набухаемости глинистых аморфных тонкодисперсных минералов под воздействием слабоминерализованных промстоков.

3. Провести экспериментальные исследования на лабораторных моделях.

4. Дать теоретический анализ полученных экспериментальных данных и обосновать рекомендации по повышению надежности эксплуатации полигонов как объектов закачки промстоков на Касимовском ПХГ и Заполярном месторождении.

Научная новизна

Получены экспериментальные данные по набухаемости глинистых включений (в 8-10 раз) в водоносных пластах-приемниках при захоронении слабоминерализованных отходов газодобычи, следствием чего является снижение приемистости водоносного пласта (в 5 раз на Касимовском ПХГ и более чем в 20 раз на Заполярном месторождении). Экспериментально установлена зависимость условий фильтрации промстоков, содержащих углеводороды, от физико-химических особенностей углеводородов.

Экспериментальными исследованиями выявлена взаимосвязь длины зоны смеси «пластовая вода-промсток» при закачке водной основы промстоков и пройденного фронтом расстояния.

Разработаны экспериментальные методы исследований гидродинамических параметров процесса закачки жидких отходов газодобывающего производства в пласт-приемник на лабораторной установке, позволившие обосновать минимальную длину модели пласта ( 1,5 - 8 м).

Защищаемые положения

1. Методика лабораторных исследований гидродинамических параметров процесса нагнетания промстоков в водоносные пласты.

2. Методы изучения на созданной автором установке:

процессов вытеснения пластовой воды промстоками различной минерализации и разного состава;

геохимических массообменных процессов при вытеснении пластовой воды промстоками;

влияния набухаемости глинистых аморфных тонкодисперсных минералов под воздействием слабоминерализованных промстоков на приемистость водоносного пласта.

3. Обоснование снижения приемистости водоносного пласта при захоронении промстоков, содержащих примеси углеводородов, а также ухудшения фильтрационно-емкостных свойств (ФЭС) пород при нагнетании слабоминерализованных промстоков.

4. Обоснование гидродинамических условий утилизации вредных отходов газодобывающих производств в водоносных пластах Касимовского ПХГ и Заполярного месторождения, не являющихся источниками промышленного и бытового использования.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Полученные в процессе проведенных исследований результаты использованы при составлении СТО ГАЗПРОМ «Гидрогеологический контроль на специализированных полигонах размещения жидких отходов производства в газовой отрасли», разработанном в ООО «ВНИИГАЗ» в 2005 году.

Предложенная технологическая схема утилизации сточных вод с учетом природоохранных и экологических требований успешно внедрена на Касимовском ПХГ.

Разработанное устройство индикации уровня жидкости в скважинах, позволяющее проводить контроль за водоносными пластами в статических и динамических режимах (Патент РФ на изобретение № 2175387 от 27 октября 2001 г.), внедрено на Касимовском и Увязовском ПХГ.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на отраслевых и межотраслевых научно-практических и научных конференциях, совещаниях и семинарах:

на четвертом и пятом международных конгрессах «Вода: экология и технология» (г. Москва, 2000 г., 2002 г.),

на научно - технической конференции «Вопросы экологии и промышленной безопасности в нефтегазовом комплексе и смежных отраслях» в рамках выставки «Российское машиностроение - нефтегазовому комплексу и смежным отраслям» (г. Москва, Всероссийский выставочный центр (ВВЦ), 3 апреля 2003 г.),

на третьем Международном конгрессе и выставке по управлению отходами ВэйстТэк - 2003 (г. Москва, 3 - 4 июня 2003 г.).

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в академических изданиях, отраслевых журналах, трудах ООО «ВНИИГАЗ», в материалах международных, всероссийских и межотраслевых научных, научно-технических конференций, конгрессов.

Всего по теме диссертации опубликовано 14 статей и тезисов докладов, включая патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, списка литературы из 74 наименований. Содержание диссертации изложено на 150 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков и 16 таблиц.

Благодарности

Автор считает своим долгом отметить, что представляемая работа начата под руководством и продолжена в развитие идей безвременно ушедшего из жизни д.г.-м.н. В.П. Ильченко.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. В.А. Николаеву за руководство работой, к.г.-м.н В.С. Гончарову, к.г.-м.н. А.В. Дахнову, д.х.н. В.А. Истомину, к.г.-м.н. В.М. Кирьяшкину, к.г.-м.н. Т.В. Левшенко, к.т.н. А.П. Митиной, к.т.н. С.Г. Рассохину, к.г.-м.н. О.Г. Семенову, д.г.-м.н. Н.Н. Соловьеву, д.г.-м.н. В.Г. Фоменко за ценные советы и помощь в работе, а также сотрудникам лаборатории гидрогеологии, геохимии и геоэкологии ООО «ВНИИГАЗ» за оказанную помощь при проведении исследований.

Признания автора заслуживают специалисты Касимовского ПХГ и Заполярного НГКМ, чьей помощью, советами и материалами он пользовался при написании диссертационной работы.

2. Содержание работы

Во введении изложена актуальность темы диссертации, определены цели исследования, основные задачи и методы их решения, сформулированы научная значимость и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе диссертации сделан анализ проблем захоронения жидких отходов основного производства на предприятиях газодобывающей промышленности.

Изучению вопросов подземного захоронения сточных вод в глубокозалегающих водоносных горизонтах посвящены труды ученых:Б.П. Акулинчева, А.С. Белицкого, С.Н. Бузинова, Э.Б. Бухгалтера, А.Н. Гаева, В.М. Гольдберга, В.С. Гончарова, В.А. Грабовникова, Е.Е. Захаровой, В.П. Ильченко, А.П. Каменева, В.М. Кирьяшкина, В.Н. Корценштейна, А.Н. Кулькова, Т.В. Левшенко, Л.Г. Лукьянчиковой, В.Н. Пашковского, Н.Б. Пыстиной, О.М. Севастьянова, О.Г. Семенова, О.И. Серебрякова, Н.П. Скворцова, Р.С. Сулейманова, А.С. Тердовидова, В.Т. Цацульникова, В.М. Шестакова и др.

Подземное захоронение сточных вод является обязательным и осуществляется предприятиями в индустриально развитых странах, в том числе в различных регионах нашей страны. Выбор подземного захоронения промстоков как способа их утилизации основан на анализе недостатков и степени негативного воздействия на природную среду применяемых физико-химических методов очистки и утилизации промстоков. В газовой промышленности по мере открытия крупных месторождений, а также месторождений с высокими концентрациями кислых (агрессивных) компонентов в составе газов и вод, создания газохимических комплексов, увеличения объемов и ужесточения экологических требований к составу промышленных сточных вод неизбежно возник вопрос об их «обезвреживании» путем подземного захоронения без нанесения ущерба геоэкологической среде. Для решения этого вопроса имелись необходимые данные по детальной геологической изученности недр на больших глубинах, были пробурены глубокие разведочные скважины, выполнившие свою задачу по разведке месторождений, а предприятия оснащены буровой техникой и материалами, необходимыми для строительства нагнетательных скважин. Поэтому подземное захоронение отходов газодобывающих производств как способ защиты окружающей среды от загрязнения стало наиболее приемлемым при добыче и подземном хранении газа.

В системе ОАО «ГАЗПРОМ» существует несколько функционирующих полигонов закачки промышленных сточных вод на Оренбургском, Уренгойском, Ямбургском, Астраханском месторождениях, Касимовском ПХГ.

Проведенный анализ показал, что подземное захоронение промстоков на этих полигонах позволяет успешно проводить утилизацию сточных вод газодобывающей отрасли на высоком экологическом уровне в соответствии с современными требованиями законодательства о природопользовании.

В то же время при проектировании и эксплуатации этих и других полигонов возникают проблемы с выбором пластов-приемников промстоков. Многие проектные решения предлагаются без необходимого научного обоснования выбора водоносных пластов, не являющихся источниками промышленного и бытового использования. Возникает опасность неконтролируемого затухания приемистости нагнетательных скважин и возникновения непредвиденных условий для загрязнения окружающей среды вследствие невозможности в течение какого-то периода времени утилизировать отходы основного производства в соответствии с требованиями экологической безопасности.

Проведенный анализ по практическому подземному захоронению промстоков дал основания сделать вывод о необходимости постановки и проведения дополнительных исследований по проблемам гидродинамического характера, возникающим при закачке в водоносные пласты промстоков переменного состава и различного генезиса.

Исходя из изложенного были определены основные задачи исследований, приведенные в «общей характеристике работы».

Во второй главе дается описание пластов-приемников действующих полигонов на Касимовском подземном хранилище газа (ПХГ) и Заполярном нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ), в качестве объектов исследования. Здесь же приведена гидрохимическая характеристика пластовых вод и промстоков, указан диапазон изменения минерализации и содержания углеводородных примесей, а также изложены результаты анализа петрографических, минералогических, геохимических исследований пород пластов-приемников.

Используемые в качестве пластов-приемников промстоков водоносные пласты представлены терригенными породами.

На Касимовском ПХГ это слабосцементированные песчаники с глинистым цементом (гидрослюда и примесь монтмориллонита 3,6 %, каолинита 0,73 %) и алевролиты нижнещигровских горизонтов верхнего девона, залегающие на глубине 800 - 875 м; проницаемость пластов в зоне нагнетания от 11 мД до 1,1 Д (1 мД=10-15 м2; 1 Д=10-12 м2).

На Заполярном НГКМ это слабосцементированные песчаники также с глинистым цементом (гидрослюда, монтмориллонит, хлорит, каолинит - всего около 4 %) и алевролиты сеноманских горизонтов верхнего мела, залегающие на глубине 1360 - 1400 м; проницаемость пластов в зоне нагнетания от ~ 40 мД до ~ 1,3 Д. Несмотря на достаточно высокую проницаемость пластов-приемников, присутствие значительного количества глинистых минералов в составе пород и большая доля их в мелкой фракции (< 0,045 мм) - в среднем не менее 60 - 65 % по массе - дают основания рассматривать принимающие пласты как объекты, поступление пресных вод в которые может вызывать снижение приемистости скважин вследствие эффекта набухания пород.

Пластовые воды щигровского горизонта - высокоминерализованные (150 г/дм3) метаморфизованные воды хлоридно-кальциевого типа.

Пластовые воды сеномана - относительно слабоминерализованные (16-18 г/дм3) метаморфизованные воды также хлоридно-кальциевого типа.

Несмотря на некоторые технологические различия газодобывающих производств на подземном хранилище газа (Касимовское ПХГ) и на газовом промысле (Заполярное НГКМ), структура жидких отходов в обоих случаях является практически одинаковой - это смеси попутно с газом добываемых пластовых и конденсационных вод, мехпримесей и техногенных сточных жидкостей (метанол, диэтиленгликоль, буровой раствор, компрессорное масло, углеводородный газовый конденсат), дождевой (талой) воды.

На полигоне Касимовского ПХГ общая минерализация стоков в среднем составляет около 145 г/дм3 при диапазоне изменения от 130 до 167 г/дм3. Содержание мехпримесей (взвешенные частицы породы после 3-дневного отстоя) - до 100 мг/дм3, метанола в среднем ~ 20 мг/дм3 (колебания от 15 до 27 мг/дм3), нефтепродуктов в среднем ~ 64 мг/дм3 (колебания от ~ 7 до ~ 171 мг/дм3).

На полигоне Заполярного НГКМ общая минерализация стоков в среднем до ~ 5 г/дм3. Содержание мехпримесей - до 300 мг/дм3, метанола до 40 г/дм3, диэтиленгликоля до 1 г/дм3, нефтепродуктов (по проекту обустройства объектов газового комплекса Заполярного НГКМ) - до 15 мг/дм3. Однако, на практике имели место случаи значительного превышения этой величины.

В диссертации приведены ионные и солевые составы пластовых вод пластов-приемников обоих полигонов и промстоков.

Для натурных экспериментов и для моделирования фильтрации необходимо использовать образцы натурных пород и флюидов. Только в этом случае возможно адэкватно оценить влияние таких особенностей исследуемых полигонов на гидродинамику процессов, как наличие в породах принимающих пластов глинистых минералов и аморфной тонкодисперсной фазы, а также получать достоверные результаты при исследовании гидродинамики захоронения промстоков переменного состава.

Третья глава посвящена принципам моделирования гидродинамических процессов в пласте-приемнике промстоков.

При закачке промстоков в пласте протекает множество процессов гидродинамической и физико-химической природы. Основными из них являются:

вытеснение пластовой воды промстоками, в том числе содержащими примеси углеводородных жидкостей;

набухание глинистых компонентов породы пласта;

двухфазная фильтрация водоуглеводородной смеси;

удерживание углеводородной жидкости породой в призабойной зоне нагнетательной скважины;

катионный обмен в системе «порода - пластовая вода - промстоки».

В главе 3 приведено описание разработанной автором малогабаритной экспериментальной установки (рисунок 1) и методик исследования, использовавшихся при выполнении работы.

Рисунок 1 Схема установки для проведения экспериментов по гидродинамическому моделированию закачки жидких отходов производства в пласт-приемник

Данная установка позволяет проводить эксперименты по моделированию вытеснения равновесной с породой пластовой воды реальными жидкими отходами производства, каковые предполагается закачивать в пласт-приемник, а также эксперименты по двухфазной фильтрации водоуглеводородной смеси.

Для получения достоверных результатов при выполнении экспериментов необходимо принимать во внимание тип исследуемого процесса и учитывать характерные размеры зон пласта, в пределах которых наблюдается изменение величин параметров, описывающих процесс. В соответствии с этим все выполненные автором эксперименты подразделяются на эксперименты по физическому моделированию и натурные эксперименты.

Эксперименты по вытеснению пластовой воды промстоками, по удерживанию углеводородной жидкой примеси породой и по катионному обмену в связи с проектированием полигона захоронения жидких отходов газодобывающего предприятия необходимо проводить на моделях пласта, размер которых не меньше ожидаемой длины зоны смеси пластовая вода - промсток (тип эксперимента - моделирование процесса).

Обоснован минимальный набор безразмерных параметров, количественное соответствие которых у модели пласта и у натуры (характерного участка пласта-приемника) обеспечивает подобие процессов в лабораторных и в природных условиях. Поисковые эксперименты автора показали, что для получения достоверных результатов при изучении пластовых гидродинамических и массообменных процессов вытеснения пластовой воды промстоками, удерживания углеводородной примеси породой и ионного обмена в пластах применительно к условиям полигонов по захоронению промстоков Касимовского ПХГ и Заполярного НГКМ моделирование возможно осуществлять, используя модели пластов длиной до 8 м.

Эксперименты по двухфазной фильтрации водоуглеводородной смеси и по набуханию глинистых компонентов породы возможно проводить на образцах породы ограниченной длины, но не менее 150 - 300 мм, чтобы минимизировать влияние зоны концевых эффектов, охватывающей от 20 до 30 мм (тип эксперимента - натурный).

В четвертой главе анализируются результаты выполненных экспериментальных исследований.

Первая серия исследований включала эксперименты по моделированию процесса вытеснения пластовой воды промстоками различной минерализации и промстоков пластовой водой. Были рассмотрены различные варианты из практики эксплуатации полигонов, включая режим с меняющимся направлением фильтрации. Последний характерен для полигонов на ПХГ, когда пласт-приемник может испытывать влияние значительных колебаний давления в основном - газонасыщенном пласте промышленного комплекса. Изменение реологических характеристик вытесняемой и вытесняющей жидкостей (вязкости напрямую зависят от минерализации) приводит к изменению коэффициентов вытеснения. В исследованных случаях диапазон изменения коэффициентов составил от ~ 45 до 95 %. Соответственно измеренные на модели пласта длиной 5 м размеры зоны смеси получены равными от 1,5 до 8,0 м (по экстраполяции). По данным экспериментов зависимость относительной длины зоны смеси Lсм «промсток-пластовая вода» от пройденного расстояния L (м) в общем виде может быть описана формулой:

Lсм=0,187lnL + 1,105

Вторая серия исследований включала эксперименты по оценке набухаемости глинистых минералов и рентгено-аморфной тонкодисперсной фракции пород пласта-приемника промстоков и снижения вследствие этого приемистости нагнетательных скважин при закачке опресненных жидкостей.

Эксперименты имели характер натурных, поскольку в них использовали представительные образцы пород и представительные пробы пластовой воды и промстоков. Часть экспериментов была модельной, когда исследовались варианты предельно и частично опресненных промстоков (моделями служили дистиллированная вода и смеси ее с пластовой водой).

Для количественной оценки набухаемости глин и снижения вследствие этого проницаемости пород автор предложил использовать, в основном, два параметра.

«Коэффициент набухаемости» представляет безразмерное отношение объема «набухающих» глин к исходному их объему до поступления в поровое пространство породы пласта-приемника опресненного флюида.

«Приемистость» с размерностью (в системе «СИ») L4M-1T характеризует пропускную способность породы и, соответственно, обратно пропорциональна коэффициенту набухаемости глин этой породы. «Приемистость» напрямую связана с проницаемостью породы.

Чтобы оценить масштабы возможного снижения приемистости на исследуемых полигонах, были сделаны количественные оценки набухаемости и снижения приемистости пород в случае закачки предельно опресненных промстоков. Моделью таковых служила дистиллированная вода.

В представительном образце породы Касимовского полигона исходный объем глин (гидрослюда и каолинит) составлял 4,30 % от объема всех зерен породы. При вытеснении пластовой воды предельно пресными промстоками (было закачано около 7 объемов пор флюида) произошло сильное набухание глин. Коэффициент набухаемости составил 8,2. Следствием стало снижение приемистости образца в ~ 5 раз, от 1,00 до 0,20 (в относительных единицах).

В образце породы Заполярного полигона исходный объем глин (монтмориллонит, гидрослюда, хлорит, каолинит) составлял 4,23 % от зерен породы, объем глин после фильтрации ~ 7 объемов пор пресных промстоков резко возрос. Коэффициент набухаемости в данном случае оказался равным 9,65. Приемистость образца для пресных промстоков соответственно упала в ~ 21 раз от исходной 0,19 до ~ 0,009 (в относительных единицах). На обоих полигонах уменьшение приемистости нагнетательных скважин при закачке в пласт опресненных промстоков является весьма значительным и это обстоятельство следует учитывать при подготовке промстоков к нагнетанию в пласт-приемник.

Исследованиями автора показано в то же время, что процесс набухания глин носит обратимый характер. Замещение в поровом пространстве пласта-приемника закачанных опресненных промстоков на минерализованную (например, пластовую) воду может быть способом восстановления приемистости пласта.

При выполнении экспериментов использовались химико-аналитические методы контроля. Результаты геохимического контроля состава отбираемых из модели пласта жидкостей автором были обобщены в форме тройных диаграмм с координатами Na-Ca-Mg и Cl-(CO3-HCO3)-SO4, наглядно демонстрирующих динамику массообменных процессов на фронте вытеснения одного флюида другим.

Исследования в третьей серии экспериментов были выполнены с целью оценить риски снижения приемистости нагнетательных скважин при попадании в стоки примесей углеводородов. Эта проблема является актуальной для полигона Заполярного НГКМ. В настоящее время на месторождении разрабатываются только сеноманские залежи с темпом отбора газа 100 млрд. м3/год. При этом даже незначительное содержание жидких углеводородов С5+ в газе (около 0,2 г/м3) дает годовую их добычу в количестве 15 тыс. т. После ввода в разработку начиная с 2008 года валанжинских залежей количество добываемых жидких углеводородов (конденсата) резко увеличится и достигнет уровня в 2,5 млн. т в год. В проекте обустройства объектов газового комплекса Заполярного НГКМ принято предельно допустимое содержание примесей углеводородов в закачиваемых в пласт-приемник промстоках до 15 мг/дм3 (~ 0,02 % объем.). Однако, при проведении выборочных анализов в 2002 - 2003 гг. на полигоне отмечены случаи, когда содержание углеводородов С5+ доходило до 10 % по объему (~ 80 - 90 г/дм3). Присутствие примесей углеводородной природы в количествах, намного превышающих по разным причинам допустимые нормы, необходимо учитывать при исследовании особенностей фильтрации промстоков в водоносном пласте, поскольку в случае, если углеводороды будут, в основном, улавливаться вблизи места поступления промстоков в пласт (у забоев нагнетательных скважин), возможно заметное снижение приемистости пласта. В тех случаях, когда углеводородная примесь будет фильтроваться в составе промстоков без накопления пористой средой, контроль за распространением промстоков по пласту в динамике приобретает особую актуальность, поскольку углеводороды, в частности, углеводородный конденсат являются особенно опасным компонентом промстоков с экологической точки зрения.

Изложенные соображения послужили основой для постановки экспериментальных исследований особенностей фильтрации водоуглеводородных (водоконденсатных) смесей в водоносном пласте применительно к условиям полигона по захоронению промстоков на Заполярном НГКМ.

Исследования фазовых проницаемостей при двухфазной фильтрации флюидов, результаты которых опубликованы в печати, показали, что для получения достоверных данных образец породы должен иметь длину, значительно превышающую длину тех входного и выходного участков, где наблюдаются «концевые эффекты». В описываемых натурных экспериментах использовали образцы длиной более 150 - 300 мм. На таких образцах влияние концевых эффектов на результаты экспериментов было в пределах точности измерений (не более ± 3 - 5 %). Основные данные об образцах пород пласта, использовавшихся при изучении процессов фильтрации водоконденсатной смеси, представлены в таблице 1.

Из таблицы следует, что образцы пород обладали характеристиками, близкими к соответствующим характеристикам натурного пласта-приемника промстоков. Отобранные и использовавшиеся пробы пластовой воды пласта-приемника Заполярного полигона являлись представительными для этого пласта.

В отличие от фильтрации одной фазы или вытеснения флюида другим, с ним смешивающимся, в экспериментах по фильтрации водоконденсатной смеси в образец породы пласта подавали практически одновременно две не смешивающиеся друг с другом жидкости - водную «основу» промстоков и углеводородный конденсат как «примесь».

Таблица 1 Основные данные об образцах пород пласта Заполярного НГКМ

Поскольку отличия в результатах экспериментов при высоких («пластовых») давлениях порядка 10 МПа и последующих экспериментов при низких давлениях не превышали точности измерений (± 2 %), было принято решение в дальнейшем эксперименты выполнять при давлениях до 2 МПа.

Всего было выполнено три «программных» эксперимента. Первый и второй эксперименты воспроизводили процесс вытеснения пластовой воды промстоками, содержащими примесь жидких углеводородов С5+ сеноманского газа Заполярного НГКМ в количестве 10 % (объемных), и отличались размерами образцов пород пласта, а также рабочими давлениями. В третьем эксперименте в качестве примеси (10 % объемных) углеводородной жидкости (УВЖ) исследовали н-декан. Это давало возможность получить информацию о влиянии состава углеводородной примеси на фильтрацию смеси.

Эксперименты показали, что в зависимости от физико-химических свойств примеси углеводородов фильтрация происходит либо с относительным накоплением углеводородов в призабойной зоне нагнетательной скважины, либо без накопления. Отсюда очевидно, что при изучении процесса вытеснения пластовой воды промстоками с примесью углеводородов надежные результаты могли быть получены только в натурном эксперименте с использованием представительных образцов породы пласта-приемника, пластовой воды и промстоков, включая углеводородную примесь. Выполненные автором натурные эксперименты применительно к условиям конкретного полигона захоронения промстоков (Заполярного НГКМ) показали, что при наличии в породе пласта-приемника глинистых и аморфных мелкодисперсных составляющих область наименьших относительных проницаемостей смеси водного промстока и углеводородной жидкости (конденсата) смещается в сторону больших водонасыщенностей. Соответственно относительные водопроницаемости на графике располагаются ниже, а углеводородопроницаемости (конденсатопроницаемости) выше графиков, приведенных в опубликованных работах для водонефтяных систем.

Выполненная по результатам экспериментов оценка показывает, что области минимальных относительных проницаемостей смеси вода (~0,15)-конденсат (~0,15) в условиях водоносного пласта-приемника полигона Заполярного НГКМ соответствует водонасыщенность около 73 % (конденсатонасыщенность около 27 %) объема пор (рисунок 2).

Рисунок 2 Графики относительных фазовых проницаемостей песчаников и песков для углеводородных жидкостей и воды: kн и kв - осреднение трёх диаграмм (песчаник; нефть, вода); kк() и kв() - результаты эксперимента (песок водоносного пласта-приёмника Заполярного полигона, углеводороды С5+, вода)

Анализ физической природы эффекта накопления конденсата в пласте-приемнике с учетом явлений межмолекулярного взаимодействия флюидов и твердых тел показал, что в условиях установившейся фильтрации продвижение конденсата из сеноманских отложений происходит с переменным темпом; наблюдаются периоды более и менее интенсивного выхода его из модели пласта. В пористой среде наблюдаются периоды уменьшения и увеличения средней насыщенности конденсатом.

Из этого следует, что в любой момент процесса фильтрации смеси насыщенность пористой среды конденсатом должна иметь волнообразный характер как функция расстояния от входа в образец породы пласта.

В качестве метода проверки этой гипотезы был выбран вариант компьютерной томографии, достаточно широко применяемый при изучении распределения флюидов и их фильтрации в продуктивных нефтегазонасыщенных пластах.

Для изучения распределения конденсата по длине образца породы было осуществлено «просвечивание» образца длиной 0,306 м в моменты, когда после длительного нагнетания водоконденсатной смеси (около 9 объемов пор) через образец прокачали несколько более одного объема пор чистой пластовой воды (кривая 1) и когда затем вслед за пластовой водой прокачали более полутора объемов пор водной фазы промстоков Заполярного НГКМ (кривая 2).

Результаты «просвечивания» образца породы пласта представлены в виде графиков зависимости насыщенности конденсатом от расстояния точки измерения до входа в образец (рисунок 3).

Характер распределения насыщенности пористой среды конденсатом по данным томографии подтверждает предположение о неравномерном движении конденсата при фильтрации водоконденсатной смеси. На рисунке 3 можно видеть два «вала» конденсата, с максимумами для кривой 1 в «срезах» №№ 6 и 17 и с минимумом насыщенности между ними в «срезе» № 13. Из сравнения кривых 1 и 2 видно, что прокачка водной фазы промстоков привела к «нивелированию» первого максимума (кривая 1, «срез» 6) и к смещению второго максимума (кривая 1, «срез» 17) к выходу модели - см. кривую 2, «срез» 23. В то же время положение минимума насыщенности («срез» 13) не изменилось. Это последнее обстоятельство свидетельствует о том, что извлечение из образца породы пласта небольшого количества конденсата при прокачке водной фазы промстоков происходило не за счет движения конденсата как связной фазы, а, по-видимому, за счет фильтрации определенного объема конденсата как эмульгированной в воде фазы.

Рисунок 3 Изменение пористости и конденсатонасыщенности по длине образца породы пласта по данным томографии (срезы через 10 мм по длине): кривая 1 - установившаяся конденсатонасыщенность при фильтрации смеси 90 % пластовой воды + 10 % конденсата, % объёма пор (средняя конденсатонасыщенность по балансу 21,3 %), кривая 2 - остаточная конденсатонасыщенность при вытеснении смеси промстоками, % объёма пор (средняя конденсатонасыщенность по балансу 19,7 %), кривая 3 - пористость в %. Образец породы пласта длиной 306 мм, диаметром 25,8 мм; уплотненный песок водонасыщенного пласта-приёмника из скв.116,0 Заполярного НГКМ, интервал отбора 1360 - 1373 м

Это предположение основано на том, что в водной фазе промстоков присутствует в качестве примеси метанол, облегчающий, как известно, эмульгирование углеводородного конденсата в воде.

Принимая во внимание неравномерность распределения удерживаемого породой конденсата и фильтрационное смещение зон максимальной конденсатонасыщенности при переходе в процессе нагнетания от водоконденсатной смеси к воде, можно рекомендовать при эксплуатации полигонов чередование закачки промстоков с примесями углеводородов и «чистой» пластовой воды или промстоков, максимально очищенных от углеводородов и обладающих достаточно высокой минерализацией.

Обобщая результаты выполненных экспериментов, можно утверждать, что при эксплуатации полигонов захоронения промстоков возможно проявление рисков неконтролируемого затухания приемистости нагнетательных скважин. Причинами затухания могут быть наличие в породах пласта глинистых минералов, подверженных сильному набуханию при закачке опресненных промстоков, а также наличие в стоках примесей углеводородов, снижающих фазовую проницаемость для воды.

В то же время замещение опресненного флюида или водоконденсатной смеси на свежие порции минерализованной пластовой воды может быть способом восстановления приемистости нагнетательной скважины.

В главе четвертой наряду с анализом результатов выполненных экспериментов автором дается обоснование необходимости дополнительной формулы к формуле Б.П. Акулинчева (1997 г.), по которой рассчитывают радиус зоны распространения в пласте закачанных промстоков.

Неравномерность продвижения фронта промстоков по формуле Б.П. Акулинчева учитывают, вводя соотношения величин проницаемости и пористости наиболее и наименее проницаемых пропластков пласта. Объем закачанных промстоков учитывают как произведение средней объемной скорости их нагнетания и времени нагнетания.

Как известно, не всегда имеется такая информация о ФЭС пласта. В таких случаях размер зоны распространения промстоков можно оценить, используя такой параметр, как коэффициент охвата. К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт разработки газоконденсатных и нефтяных месторождений с нагнетанием в продуктивные пласты газообразного или жидкого агента. Согласно опубликованным данным коэффициенты охвата песчаного пласта-коллектора при этом составляют в большинстве случаев от 0,40 до 0,70. По геолого-промысловым данным величина ожидаемого коэффициента охвата для пласта-приемника промстоков может оценена с погрешностью ± (1015) %. Для оценки объема закачанных промстоков целесообразнее использовать данные о накопленном объеме Vн закачанных в пласт жидкостей. Такой прием позволит рассчитывать радиус растекания промстоков с большей точностью.

Исходя из изложенного, автор предлагает для расчета радиуса R3 зоны распространения промстоков в пласте-приемнике формулу, учитывающую коэффициент охвата пласта Кохв: