Роль водорастворенных газов в формировании и процессах разработки

На правах рукописи
РАХБАРИ НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА
Роль водорастворенных газов в формировании и процессах разработки
газовых месторождений со слоистыми коллекторами
(на примере месторождения Медвежье)
Специальность 25.00.12 - Геология, поиски и разведка
нефтяных и газовых месторождений
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2012
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем
нефти и газа.
Научный руководитель:
Абукова Лейла Азретовна, доктор
геолого-минералогических наук (ИПНГ РАН)
Официальные оппоненты:
Ульмасвай Феликс Салямович, доктор
геолого-минералогических наук (ИПНГ РАН)
Варягов Сергей Анатольевич, доктор
геолого-минералогических наук
(ООО «Газпром добыча Надым»)
Ведущая организация:
Научно-исследовательский институт
природных газов и газовых технологий –
Газпром ВНИИГАЗ
(ООО «Газпром ВНИИГАЗ)
Защита состоится 29 февраля 2012 г. в 15 часов на заседании Диссертационного
Совета Д.002.076.01 Института проблем нефти и газа Российской академии наук:
119333, г. Москва, ул. Губкина, 3.
С диссертацией можно ознакомиться у Ученого секретаря Диссертационного
Совета Д.002.076.01 Института проблем нефти и газа Российской академии наук.
Автореферат разослан 23 января 2012 г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета, к.т.н.
.
-2-
Баганова М.Н.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Общеизвестно, что объемы свободных газов составляют незначительную долю от общих объемов водорастворенных газов (ВРГ) литосферы.
Только в Западно-Сибирском нефтегазоносном мегабассейне общее количество ВРГ в
пластовых водах превышает 1000 трлн. м3. Несмотря на это, вопрос о роли ВРГ в
формировании и в разработке газовых месторождений до настоящего времени остается дискуссионным. Слабо изучены особенности состава ВРГ в различных нефтегазоносных бассейнах, степень и механизмы их участия в формировании нефтяных и газовых залежей, масштабы дегазационных процессов в пластовых водах при изменении термобарических условий и воздействии сейсмических факторов. Применительно
к этапу эксплуатации газовых месторождений обсуждаются вопросы влияния дегазации подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения на режимы
разработки и подпитку дренированных запасов углеводородов. Таким образом, исследование дегазационных процессов в подземной гидросфере, происходящих в природных и техногенных условиях на газовых месторождениях, несомненно, является
актуальной научно-практической проблемой.
Цель настоящей работы – оценка роли дегазации подземных вод в слоистых коллекторах в формировании и процессах разработки газовых месторождений (на примере месторождения Медвежье).
Правомочность подобной постановки исследования определяется тем, что механизмы разгазирования подземных вод на всех этапах «жизненного цикла» газовых
месторождений физически идентичны.
Объект исследования. Месторождение Медвежье выбрано в качестве объекта
исследований по двум причинам.
1. Газонасыщенность подземных вод на Медвежьем значительно выше, чем на
многих других месторождениях севера Западной Сибири, поэтому дегазационные
процессы здесь протекали как при формировании месторождения, так и в период его
разработки.
2. Характерной особенностью геологического разреза месторождения Медвежье
является литологическая слоистость: тонкое чередование глинистых и песчаных
пропластков. Подобное строение разреза накладывает свой отпечаток на характер дегазации подземных вод.
Задачи исследования:
1. Анализ влияния геологических факторов на дегазационные процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье.
2. Обоснование роли газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в
формировании месторождения Медвежье.
3. Экспериментальная оценка подвижности газов, выделившихся в пористой
среде из подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения.
4. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений.
Объекты исследования: а) физическая система "ВРГ - защемленный газ - свободный газ"; б) геологический объект – сеноманская газовая залежь месторождения Медвежье.
Материалы исследования были собраны по литературным и фондовым источникам, а также получены в результате экспериментального моделирования.
-3-
Методы исследования: традиционные методы анализа геологической информации; методы экспериментального моделирования; компьютерная обработка материалов в современных программных пакетах («Petrel», «DV-Geo»).
Научная новизна:

Доказано, что главная роль дегазации пластовых вод в тонкослоистых коллекторах месторождения Медвежье состоит в усилении изолирующих свойств его периферийных заглинизированных частей. Переход мельчайших пузырьков газа из водорастворенного состояния в свободное резко снижает относительную фазовую проницаемость по воде, обеспечивает сохранность уникальной по размерам сеноманской
залежи в течение новейшей геологической истории.

Установлено, что объем газов, выделившихся из водорастворенного состояния
и попавших в залежь, не превышает 10-15 % от объема свободного газа в сеноманской залежи; основная их часть пополнила запасы залежи в процессе олигоценового
воздымания Медвежьего вала.

Уточнены фоновые значения минерализации и химический состав пластовых и
конденсационных вод месторождения Медвежье, что важно для корректной оценки
масштабов дегазационных процессов.

Выявлена геохимическая агрессивность конденсационных вод по отношению к
породам коллекторов, что может рассматриваться как одна из геологических причин
пескования эксплуатационных скважин.

Экспериментально доказана низкая миграционная способность выделившихся
из водорастворенного состояния газов на этапе разработки.

Экспериментально установлены различия процессов дегазации в однородных и
неоднородных коллекторах: показано, что неоднородность разреза ведет к сдвигу по
времени начала свободного продвижения газовых пузырьков в пористой среде.

Оценены объемы обводненных газонасыщенных коллекторов сеноманской залежи, рассчитаны объемы УВ-газов, выделившихся из пластовых вод месторождения
Медвежье при снижении давления ниже давления насыщения в процессе разработки.

Определена доля выделившихся из пластовых вод газов в объеме остаточных
газов на заключительных этапах разработки месторождения Медвежье.
Практическая ценность работы. Результаты исследований рекомендуются к использованию при обосновании проектных решений по оптимизации добычи УВ, в
частности при определении мест заложения новых скважин на Медвежьем и других
газовых месторождениях с длительной историей эксплуатации.
Защищаемые положения.
1.
Обособление газообразных УВ из пластовых вод на заглинизированных
бортах Медвежьего вала, наиболее активно проявившееся в олигоцене, явилось важным газогидродинамическим фактором изоляции месторождения от водонапорной
системы и обеспечения сохранности его уникальных запасов.
2.
Конденсационные воды месторождения способствуют растворению солей угольной и кремниевой кислоты, что на заключительных этапах эксплуатации месторождения может ухудшать условия продвижения газов, выделившихся из подземных вод, а также приводить к пескованию эксплуатационных скважин.
-4-
3.
Выделившиеся из водорастворенного состояния газы в виде мельчайших
дисперсно рассеянных пузырьков способны к продвижению только в гидродинамически активной среде; литологическая неоднородность (слоистость) приводит не к
уменьшению масштабов дегазации, а к ее сдвигу по времени, усиливает пульсационный характер этого процесса.
4.
На месторождении Медвежье к настоящему времени доля газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в составе остаточных газов составляет 1015 %, однако, по мере снижения остаточных запасов она будет возрастать (до 15-20%
при снижении пластового давления до 1,0-1,5 МПа).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав
и заключения. Содержит 218 страницы машинописного текста, включая 39 рисунков,
48 таблиц. Список литературы содержит 165 наименований.
Ключевые слова: водорастворенный газ, защемленный газ, остаточный газ, пластовое давление, обводнение продуктивного пласта, минерализация, химический состав подземных вод, газовое месторождение Медвежье.
Апробация работы. Основные результаты работы изложены в 9 публикациях, из
них 4 – в журналах из списка ВАК.
Результаты работы представлялись: на семинарах лабораторий нефтегазовой
гидрогеологии (2009, 2010, 2011 гг.), газонефтеконденсатоотдачи пластов (2011 г.),
анализа осадочных бассейнов (2011 г.), общеинститутском семинаре (2011 г.) ИПНГ
РАН; международных конференциях «Фундаментальные проблемы нефтегазовой
гидрогеологии» (2005 г.), «Гидрогеология в начале 21 века» (2007 г.), «Третьей международной конференции молодых ученых по наукам о Земле» (2006 г.); Всероссийской конференции «Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и
прикладные вопросы)» (2010 г.); на конференциях молодых специалистов ИПНГ РАН
(2006, 2011 гг.) и т.д.
Благодарности. Работа выполнена в Институте проблем нефти и газа РАН. Автор
считает своим долгом поблагодарить директора академика А.Н. Дмитриевского, зам.
директора В.М. Максимова, ученого секретаря института Св.А. Сидоренко, ученого
секретаря Диссертационного Совета М.Н. Баганову за предоставленную возможность
работы над диссертацией, Ю.И. Яковлева, Б.П. Акулинчева, О.П. Абрамову Ф.С.
Ульмасвая, В.Л. Шустера, С.Н.Закирова за профессиональные советы и практическую
помощь. Искренняя признательность сотрудникам НТЦ ООО «Газпром добыча
Надым», а также ООО "Газпром ВНИИГАЗ" Н.Г. Паршиковой, Н.С. Полуэктовой за
консультации и ценные замечания. Особая благодарность руководителю диссертации
Л.А. Абуковой за постоянное внимание и поддержку.
ГЛАВА 1. Обзор изученности роли дегазации подземных вод в процессах
формирования и разработки газовых месторождений
Применительно к Западной Сибири выполнена периодизация истории изучения
ВРГ, обозначен вклад отдельных исследователей в изучение ВРГ нефтегазоносных
бассейнов и их роли на этапах формирования и промышленного освоения месторождения (табл. 1).
-5-
Таблица 1. – Основные этапы изучения ВРГ Западной Сибири
№
п/п
1
1.
2.
3.
4.
Период
2
До 50-х
годов
50-70-е
года
Основные результаты
3
Общие региональные работы по
изучению гидрогеохимических
условий верхнемеловых отложений Западной Сибири.
Накопление данных по газовому
составу подземных вод месторождений УВ, составление первых региональных обобщений по закономерностям изменения компонентного газового состава подземных
вод нефтегазовых месторождений
Западной Сибири.
Ведущие авторы
4
В.И. Вернадский, Г.Д. Гинсбург, В.П. Савченко, В.А. Соколов, В.А. Сулин и др.
В.Г. Васильев, К.И. Багринцева,
А.М. Блох, В.Г. Васильев, Н.В.
Дуброва, А.С. Зингер, А.А.
Карцев, В.Г. Козлов, В.Н. Корценштейн, Б.Ф. Маврицкий,
Л.А. Польстер, М.И. Суббота,
В.Б. Торгованова, и др.
С.Н. Беспалова, А.Е. Гуревич,
С.Н. Закиров, Л.М. Зорькин,
Л.Н. Капченко, А.А. Карцев,
В.Н. Корценштейн, Н.М. Круг70-90-е
ликов, А.Н. Лапердин, В.М. Магода
тусевич, А.Ю. Намиот, В.В.
Нелюбин, Н.С. Полуэктова,
Р.Г.Семашев, Е.В. Стадник,
М.И. Суббота, Ю.С. Шилов,
О.Н. Яковлев и др.
Л.А. Абукова, Б.П.Акулинчев,
Активное развитие нефтепромыс- Ю.Н. Васильев, П.А. Гереш,
ловой гидрогеологии. Изучение
В.С. Гончаров, П.И. Дворецкий,
С 90-х
механизмов взаимодействия ВРГ и В.И. Ермаков, С.Н. Закиров,
годов свободных газов. Оценочные рабо- А.Н. Кирсанов, А.Э. Конторопо насто- ты о роли ВРГ в формировании
вич, А.Р. Курчиков, Г.А. Ланчаящее
режимов разработки газовых меков, В.М. Матусевич, Д.А. Новремя
сторождений. Систематизация
виков, Г.И. Облеков, Э.М. Прасведений по составу ВРГ местосолов, Р.Г. Семашев, Р.М. Террождения Медвежье.
Саркисов,
Н.Ф. Чистякова,
Ю.И. Яковлев и др.
Разработка теоретических представлений о газовом режиме подземных вод месторождений УВ.
Разработка диагностических критериев поиска и разведки новых
зон нефтегазонакопления. Первые
работы по изучению процессов дегазации вод на эксплуатирующихся месторождениях.
Таким образом, основной базой для изучения механизма дегазации подземных
вод при формировании и разработке газовых месторождений являются общетеоретические, региональные, геолого-промысловые ранее проведенные исследования, освещающие следующие вопросы:
 условия насыщения вод газами различного состава и генезиса в зависимости от температуры, давления, солевого состава подземных вод, выделения газа на
элизионных и инфильтрационных этапах развития бассейна;
-6-
 изменение во времени, по площади и разрезу газонасыщенности и состава
подземных вод как непосредственно на месторождении Медвежье, так и во всей водонапорной системе Западной Сибири;

роль подземных вод при эксплуатации продуктивного комплекса месторождения.
ГЛАВА 2. Основные теоретические и методические положения изучения
процесса дегазации подземных вод при формировании
и разработке газовых месторождений
В главе суммированы основные теоретические и методические положения
нефтегазовой гидрогеологии, которые раскрывают закономерности формирования состава газов, растворенных в подземных водах нефтяных и газовых месторождений,
причины и механизмы дегазации вод. В частности детально рассмотрено влияние
гидродинамических и гидрохимических условий насыщения, перенасыщения и разгазирования пластовых вод при определенных геологических и геолого-промысловых
ситуациях (табл. 2).
Таблица 2. – Теоретические и методические основы изучения роли
дегазационных процессов при формировании и разработке месторождения
Медвежье
Базовые положения нефтегазовой гидрогеологии, использованные для исследования дегазации пластовых вод в природных и техногенных условиях:
 генетическая связь рассеянных, свободных газов и ВРГ между собой и
органическим веществом осадочного разреза;
 соотношение ресурсов рассеянного, водорастворенного и свободного
газов в виде 100:10:1;
 зависимость количества растворенных газов от температуры (сложная),
давления (прямая), солености вод (обратная);
 способность вод долгое время находиться в перенасыщенном (диспергированном) состоянии в глубоких горизонтах как глобальное явление;
 возможность сейсмо-акустических и вибрационных воздействий на дегазацию перенасыщенных газом водных растворов;
 недонасыщенность вод глубоких горизонтов и дефицит упругости ВРГ
на глубинах свыше 4-5 км как общая закономерность осадочных нефтегазоносных бассейнов;
 важная роль поровых вод глинистых отложений в формировании гидрохимических условий дегазации в слоистых коллекторах.
Методические основы нефтегазовой гидрогеологии, использованные для исследования дегазации пластовых вод в природных и техногенных условиях:
 оценка значений газонасыщенности вод и упругости растворенного газа в зависимости от термобарических условий;
 оценка генезиса вод по совокупности гидрохимических критериев;
 экспериментальное исследование процессов дегазации вод в пористой
слоистой среде при снижении давления ниже давления насыщения.
-7-
Таким образом, современная научно-методическая база нефтегазовой гидрогеологии позволяет решить задачи, вытекающие из целей настоящей диссертационной
работы.
ГЛАВА 3. Общая характеристика газового месторождения Медвежье
В главе приведены необходимые для последующего анализа сведения о Медвежьем, в частности показано следующее:
 месторождение приурочено к структуре 1-го порядка, уникальной по
площади и амплитуде, которая на протяжении всей геологической истории, особенно в
преднеогеновое время, была гигантской зоной нефтегазонакопления;
 главная особенность литологического строения – тонкая слоистость терригенного разреза; фильтрационно-емкостные свойства пород различны; сеноманские
коллектора обладают высокой флюидопроводимостью;
 мощность осадочного чехла – не менее 7 км, породы обогащены ОВ, существуют собственные зоны генерации УВ в пределах вала, не исключена дальняя латеральная миграция УВ;
 месторождение находится в состоянии падающей добычи, за весь период
разработки отобрано более 80 % начальных утвержденных запасов; ныне в его недрах
содержится более 400 млрд. м3 остаточного газа, мнения специалистов о вкладе в его
формирование газа, выделившегося из пластовых вод, расходятся, поэтому вопрос
требует дальнейшего изучения.
ГЛАВА 4. Гидрогеологические условия месторождения Медвежье
на этапе его формирования
В главе рассмотрено строение водонапорной системы месторождения,
представленной тремя водонапорными комплексами: юрским, верхневаланжинбарремским и апт-сеноманским.
Гидродинамические условия месторождения Медвежье изучены крайне слабо.
В целом движение вод происходит преимущественно в северо-западном направлении,
что совпадает с ориентацией Медвежьего вала. В отдельные периоды геологической
истории могли существовать условия для вертикальной миграции вод и УВ.
Гидрохимические условия во многом определяются положением месторождения во внутренней гидрогеологической зоне Западно-Сибирского мегабассейна. На
основании гидрохимических данных, отобранных до начала или в первые годы разработки, выявлено, что состав пластовых вод обуславливается присутствием (и взаимодействием между собой) древних конденсационных, седиментогенных вод и поровых вод глинистых отложений.
Древние конденсационные воды сохранились на УКПГ-1, -2, -3,-4 (в иных случаях, они, по-видимому, потеряли свой первоначальный геохимический облик, смешавшись с седиментогенными). Воды имеют явный гидрокарбонатно-натриевый тип
(по В.А.Сулину), низкое содержание микроэлементов, в том числе йода и брома, повышенные значения натрий-хлорного коэффициента.
Седиментогенные растворы, распространенные на большей части месторождения, представляют собой воды хлоридно-кальциевого состава с минерализацией 1823 г/дм3. Повышение минерализации вод носит очаговый характер и, скорее всего,
объясняется возможной гидродинамической связью с нижнемеловыми отложениями.
Фиксируется тенденция к гидрохимической инверсии с глубин 2100-2300 м.
-8-
В целом основная закономерность изменения минерализации пластовых вод более всего согласуется с лито-фациальной обстановкой залежи: заглинизированным
участкам месторождения в гидрохимическом отношении соответствуют зоны слабого
распреснения вод (рис.1а и б).
а)
б)
Рисунок 1. - а) Карта распределения минерализации пластовой воды до начала
разработки (в г/дм3). Условные обозначения
452
номер скважины
;
19,8 минерализация, г / дм 3
б) Карта распределения глинизации продуктивного разреза (в д.ед.). Месторождение Медвежье. Сеноманская залежь (Н.Ю. Рахбари, 2010)
Видимо, причина подобной зависимости заключается в высвобождении из глинистых отложений поровых маломинерализованных вод, что подтверждается несколькими фактами. К ним относятся:
- совпадение реальных и прогнозных зон распространения вод пониженной минерализации с зонами повышенной глинизации пород;
-9-
- устойчивость значений натрий-хлорного коэффициента, характерного водам
бассейна осадконакопления (от 0,87 до 0,99);
- повышенное содержание в водах относительно фоновых значений йода - 16-20
мг/дм3 (скв. 612 – 23,5 мг/дм3, скв. 512 – 24,1 мг/дм3 и др.) и брома, фоновые значения
которого составляют – 40-50 мг/дм3, а максимальные – 60-90 мг/дм3 (скв. 10, 308,
524 и др.).
На основании приведенных данных делается вывод о том, что накопление ВРГ
происходило в условиях преимущественного распространения в пределах месторождения седиментогенных (в центральных частях месторождения) и поровых вод глинистых отложений (в периферийных частях на заглинизированных бортах Медвежьего вала). Как будет показано далее, эта особенность во многом определила геологическую роль ВРГ в формировании и сохранении месторождения Медвежье.
Впервые выполнена оценка геохимических равновесий между конденсационными и пластовыми водами месторождения Медвежье и отдельными минералами (в
расчетах участвовали воды, отобранные до начала и в первые годы разработки залежи). Показано, что конденсационные воды способны растворять соли угольной и
кремниевой кислоты, таким образом, способствуя нарушению прочностных свойств
пород. Результаты расчетов говорят о том, что существующие в разрезе месторождения отдельные прослои карбонатов подвержены выщелачиванию конденсационными
водами, а скудное содержание карбонатов в полифациальном разрезе покурской свиты, возможно, и есть следствие проявленного в геологическом времени гидрохимического разрушения карбонатных включений в терригенных породах (по опубликованным данным карбонатность пород на месторождении Медвежье изменяется от 0 до
0,28; доля образцов с карбонатностью меньше 0,10–0,12 составляет 82–91% (Хохлова
М.С., 2004)).
Важно и то, что гидрохимическое выщелачивание солей угольной и кремниевой
кислот происходит однонаправлено (Бро Е.Г., 1980 и др.). Это может объяснить не
только убогое содержание или отсутствие карбонатов в цементе коллекторов на Медвежьем, но и активно развивающиеся процессы пескования эксплуатационных скважин. Отметим, что наибольшее количество самозадавливающихся скважин установлено на УКПГ-2 и УКПГ-9, где повышена способность конденсационных вод к выщелачиванию солей угольной (а значит и кремниевой) кислоты. Применительно к непосредственной задаче исследований можно сделать вывод о том, что описываемые процессы должны приводить к снижению прочностных свойств песчано-алевролитовых
пород, возможно к их обрушению, смыканию глинистых прослоев, т.е. приводить к
ухудшению условий продвижения по пластам выделившихся из воды газов.
Иное геохимическое соотношение с породами имеют поровые воды глинистых
отложений, которые перенасыщены по отношению к некоторым породообразующим
минералам (рис. 2), что можно расценить как фактор дополнительной кольматации
бортовых частей Медвежьего вала.
- 10 -
Рисунок 2. - Схема распределения коэффициента насыщения вод карбонатными солями при температуре 40ºС и давлении
10 МПа по сеноманской залежи месторождения Медвежье (Н.Ю.Рахбари, 2010) Условные
обозначения: при S < 0 нет угрозы выпадения
карбонатных солей; при S > 0 есть угроза выпадения карбонатных солей.
Анализ ВРГ на Медвежьем показал идентичность состава водорастворенного и свободного газов. Состав ВРГ преимущественно метановый, имеет слабую тенденцию к увеличению тяжелых УВ, в нем отсутствуют соединения серы, углекислый газ представлен в небольших количествах. Газонасыщенность пластовых вод сеноманского горизонта
при
начальном пластовом давлении в залежи (11,012,0 МПа) в приконтактной зоне залежи составляет 2,1 дм3/дм3 на Ныдинской части, в
центральных и южных районах Медвежьего –
порядка 1,9 дм3/дм3; в отдалении от месторождения газонасыщенность вод и упругость ВРГ
ниже (Зорькин Л.М., 1989). Газонасыщенность
и состав газа, растворенного в водах верхневаланжин-барремского и юрского комплексов,
прямо не изучены, однако есть все основания
считать, что с глубиной воды недонасыщены
УВ газами.
В плиоцен-четвертичное время два глобальных процесса привели к уменьшению пластового давления в мезозойской водонапорной
системе Медвежьего вала: снижение уровня
моря (Нелюбин В.В., 1971) и общее тектоническое воздымание территории (Чочиа Н. Г.,
1993). В результате этих геологических процессов из вод сеноманских отложений выделились углеводородные газы. Выполненная нами количественная оценка показала, что
объемы выделившихся из водорастворенного состояния газов намного превышают
геологические запасы газа Медвежьего (табл. 3), но существует серьезное ограничение, не позволяющее признать ВРГ в качестве основного источника формирования
этой залежи. Речь идет о коэффициенте газонасыщения, который составляет не менее
1,3. Также были подсчитаны объемы газа, необходимые для достижения порогового
газонасыщения (табл. 4). Как оказалось, они превышают те объемы, которые были
выделены из вод на последнем крупном этапе тектонической перестройки.
- 11 -
Таблица 3. – Расчетные объемы газов, выделившихся из водонапорной системы Медвежьего вала в
послеолигоценовое время (Н.Ю.Рахбари, Б.П.Акулинчев, 2011)
Изменения
Газовый3 фактор,
газового
Объемы вы- Объёмный Объемы выдм /дм3
Площадь
Толщина Порисфактора,
делившихся
делившихся
3
3
9 3
пластовый газов,10
9 3
Комплекс дегазации,
комплекса,
тость,
дм
/дм
газов,10
м
в
м в
6
2
коэффи10 м *
м
%
в нормальнормальных
пластовых
циент газа
До
После
ных услоусловиях*
условиях
Размыва размыва
виях
Аптсеноманский
2000
Валанжинбарремский
2000
Юрский
4500
4500
2000
4500
1000
25
2,85
2,06
0,79
1500
25
3,20
2,29
0,91
2000
25
5,08
2,86
2,22
≈400
≈900
≈700
≈1500
≈2200
≈5000
0,0090
0,0079
0,0061
≈4
≈8
≈5
≈12
≈14
≈30
*- в числителе – расчеты, учитывающие площадь в пределах ГВК, в знаменателе - площадь с учетом ближайшего окружения.
Таблица 4. - Оценка количества газа, необходимого для преодоления порогового
газонасыщения апт-сеноманского комплекса
(Н.Ю.Рахбари, Б.П.Акулинчев, 2011)
Количество
Газонасыгаза
для преМощность щенность Пористость, Сжима- одоления
Площадь,
Количество
покм2
пропластков пропластпласта,
%
емость
рогового
гаков, м
д.ед.
зонасыщения, м3
500-1000
100-300
1-3
0,1-0,3
10-25
0,009
15·109-20·109
Эти результаты не позволяют считать роль дегазации подземных вод на этапе
формирования месторождения в создании ресурсного потенциала промышленно важной. Однако тот факт, что разгазирование подземной гидросферы обеспечивает повышение газонасыщенности пласта в условиях тонкой литологической слоистости
разреза, «высвечивает» иную и весьма важную функцию этого процесса. Речь идет о
снижении фазовой проницаемости по воде на бортах Медвежьего вала, проявлении
(наряду с литологическим) дополнительного газогидродинамического фактора изоляции зоны нефтегазонакопления (какой является центральная часть вала) от крупнейшей водонапорной системы в периоды, благоприятные для восходящих перетоков газа по литологическим окнам за счет снятия геостатической нагрузки при воздымании
территории (или при микросейсмических явлениях).
Это значит, что уникальные запасы рассматриваемого месторождения сохранились в геологическом времени по той причине, что Медвежий вал был отсечен от общего гидродинамического потока, направленного с юга на север (и сместившего к северу в зону застойного водообмена бассейна).
При этом надо иметь в виду, что реальное количество газа, которое «застревало»
в зонах повышенной глинизации, выше расчетных результатов, поскольку к ним добавляются газы генерируемые глинами самого месторождения, а также растворенные
в поровых водах глинистых отложений (независимо даже от их генерационного источника). Важно и то, что поровые воды терригенных отложений растворяют и переоткладывают на границе глин и песчаников породообразующие минералы, формируя своеобразные корки, которые также становятся дополнительными преградами на
пути краевых пластовых вод.
На наш взгляд механизм формирования газогидродинамической покрышки реализуется по следующей многократно повторяющейся схеме: выделение газа из подошвенных и краевых вод происходит при снижении давления ниже давления насыщения; выделение газовых и минеральных компонентов из поровых вод глинистых
отложений  рассеивание микропузырьков газа по поровому пространству в межглинистых песчано-алевролитовых пропластках  замещение воды газом в крупных
порах с оттеснением воды в более мелкие поры  слияние отдельных газовых пузырьков под глинистыми пропластками  медленное их продвижение по направлению восстания глинистых (микро) слоев  разгрузка газовых струек по ближайшему
литологическому окну  последующее повторение этого процесса.
На основании выполненных исследований можно утверждать, что вклад дегазации подземных вод в формирование и сохранение в геологическом времени месторождения Медвежье заключается в следующем:
а) в доолигоценовый период геологические запасы месторождения формировались как за счет собственного газопродуцирующего потенциала, так и за счет привноса УВ транзитным латеральным потоком, направленным с юга Западно-Сибирского
бассейна к северу; подземные воды постепенно насыщались УВ газами;
б) в олигоценовое время, когда не только газонасыщенность вод была максимальной, но и часть газа перешла из водорастворенного состояния в свободное, активность поровых вод глинистых отложений приводила к формированию минеральных корок на заглинизированных бортовых частях месторождения, латеральный поток был отрезан; что и обеспечило сохранность от вымывания сформированных к
этому времени запасов;
в) в постолигоценовое время большое значение в формировании ресурсного потенциала приобрел вертикальный поток из нижележащих отложений, но учитывая
нарастание газоемкости и снижение газонасыщенности вод нельзя предполагать, что
источник генерации газов был расположен ниже юрских отложений.
На основании исследований, изложенных в главах 2-4, формулируются первые
два защищаемых положения (стр. 4).
ГЛАВА 5. Механизмы и масштабы дегазационных процессов в подземных водах
газовых месторождений
Ключевой проблемой оценки влияния дегазации пластовых вод на формирование месторождений и на режимы их разработки является оценка подвижности газов,
выделившихся из пластовых вод в пористую среду при снижении давления ниже давления насыщения. Эта задача, применительно к теме диссертационного исследования,
была решена методами экспериментального моделирования. Экспериментальная
установка, на которой производилось моделирование, позволяла задавать различные
скорости продвижения воды, предельно насыщенной газом, через образцы пород.
Технически предусматривалась возможность фиксации начала дегазации вод и определения объемов выделившихся газов.
Эксперименты на однородных и неоднородных насыпных моделях проводились
с использованием образцов различной проницаемости, максимально приближенных к
условиям месторождения Медвежье (табл. 5).
Таблица 5. - Результаты определения проницаемости (м2)
для насыпных однородных моделей
Замеры проницаемости
Модель А
Модель В
Модель С
-15
-15
1-ый замер
890 ·10
680·10
430·10-15
-15
-15
2-ой замер
780·10
580·10
490·10-15
3-ий замер
960·10-15
630·10-15
460·10-15
Среднее значение
880·10-15
620·10-15
450·10-15
Для каждой модели (А, В и С) давление задавалось единообразно (табл. 6).
Таблица 6. - Значения давлений на входе и выходе модели
Параметры модели
1-ая серия
2-ая серия
3-я серия
Давление на входе, МПа
0,3
0,3
0,3
Перепад давления, МПа
0,004
0,006
0,008
Гидростатическое давление, МПа
0,0135
0,0135
0,0135
Давление на выходе, МПа
0,283
0,281
0,279
Результаты эксперимента по одной литологически однородной модели отражены на рисунке 3.
- 14 -
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Qt,
см3
а
б
t, час
Рисунок 3. - Модель С (проницаемость 450·10-15 м2). Зависимость
объема
газа,
накопленного в ловушке, от
времени при моделировании
дегазации вод в условиях
различных перепадов давления: а-0,004 МПа; б- 0,006
МПа; в- 0,008 МПа (Н.Ю.
Рахбари, 2007)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. При снижении давления ниже давления насыщения происходит процесс разгазирования вод, имеющий три характерных периода:
- первый, в течение которого видимых изменений в системе не наблюдается, и
за это время накапливаются газы в верхней части модели (под ГВК – в реальных
условиях), формируется переходная зона;
- второй, в течение которого происходит активный прорыв газа, причем при
меньших перепадах давления этот период более растянут, что вполне естественно;
- третий, четвертый периоды – стабилизация процесса.
Эти периоды процесса наилучшим образом выделяются на графике разгазирования: эксперимент с градиентом давления 0,004 МПа и проницаемостью насыпной
модели 450·10-15 м2 (рис. 4). Для каждого эксперимента эти периоды имели собственные временные интервалы, которые, как следует из сути экспериментов, определяются перепадом давления.
Рисунок 4. - Характерные
этапы процесса дегазации
подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения
(Н.Ю.
Рахбари, 2007)
2. По мере повышения градиента давления увеличивается объем газа, способного к самостоятельному истечению, но в целом соотношение объема свободного
(освободившегося) газа к объему защемленного в водонасыщенной части модели
остается весьма незначительным - от 2,8 до 4,0 %. В последующих опытах при
больших значениях проницаемости масштаб дегазационных процессов становится
достаточно заметным – от 7 до 12 % .
- 15 -
Наиболее эффективно на процесс дегазации вод влияет перепад давления на
входе и выходе модели, что отражено в таблице 7, где представлены результаты опытов на модели с проницаемостью 880·10-15 м2.
Таблица 7. - Расчетные параметры процесса дегазации подошвенных вод
при снижении давления ниже давления насыщения (модель А)
Выполненные варианты
Основные параметры эксперимента 880-0,004
880-0,006
880-0,008
1
2
3
4
Давление на входе, МПа
0,3
0,3
0,3
Перепад давления, МПа
0,004
0,006
0,008
Гидростатическое давление, МПа
0,0135
0,0135
0,0135
Давление на выходе, МПа
0,283
0,281
0,279
Выделено из прокачанного объема
воды, см3
54,52
52,08
47,86
Объем подвижной фазы в нормальных условиях, %
9,75
11,45
13,95
Объем подвижной фазы в пластовых
условиях, см3
3,45
4,25
5,01
Объем неподвижной фазы в пластовых условиях, см3
51,07
47,83
42,85
Газонасыщенность пласта, %
36,1
33,8
30,3
Коэффициент дегазации, %
6,76
8,89
11,69
Для оценки способности газовых микропузырьков к продвижению в предельно
газонасыщенной среде без движения воды также был поставлен специальный опыт.
Результаты отражены на рис. 5.
Рисунок 5. - Зависимость объема
газа, накопленного в ловушке, от
времени при моделировании дегазации вод в условиях отсутствия
гидродинамического фактора
(Н.Ю. Рахбари, 2007)
10
V, см3
8
6
4
2
t, час
0
20 22 23 24 25 26 30 44 45 47 50 52 55 63 65 68 71
-2
Из полученных данных видно, что количество свободного газа в ловушке осталось практически постоянным и отличается от начального значения на 0,08 % (на
протяжении 94 часов). Это говорит о том, что без внешнего энергетического воздействия на пласт вертикальная фильтрация газовых пузырей практически отсутствует.
- 16 -
Вторая часть экспериментов была проведена с неоднородными коллекторами,
что соответствует условиям слоистости бортовых частей месторождения. Результаты
одной из трех серий экспериментов приведены на рисунке 6.
14
12
Рисунок 6. - Сравнение хода
дегазации вод при снижении давления ниже давления насыщения (проницаемость 620 ∙10-15 м2) для однородной и неоднородной
моделей (Н.Ю. Рахбари,
2007).
Q, см3
10
8
а
6
б
4
2
t, час
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Необходимо отметить, что в целом для неоднородных моделей количество газа
практически остается прежним, но процесс дегазации увеличивается и перераспределяется во времени, имеет пульсационный характер, и на заключительных этапах выход газа будет происходить более интенсивно.
Следует полагать, что в тех участках месторождения, где литологическая неоднородность (выраженная слоистостью) проявляется сильнее, на заключительных этапах разработки месторождения следует ожидать наибольшего выхода газа из водорастворенного состояния, чем в зонах литологически более однородных.
Суммируя результаты экспериментальных работ, можно сделать следующие выводы:
1. При снижении давления ниже давления насыщения основной (до 90 % и выше)
объем выделившегося из водорастворенного состояния газа в мелкодисперсном состоянии остается в породе.
2. В условиях застойного водообмена продвижение выделившегося из воды газа
практически не происходит.
3. Гидродинамическая активность усиливает подвижность мелких газовых пузырьков, приводит к их слиянию друг с другом, а впоследствии и с ранее защемленным газом в локальных участках пласта.
4. Продвижение по пласту газа, перешедшего из водорастворенного состояния в
свободное, в условиях литологической неоднородности происходит импульсно; при
этом значимого увеличение выхода газа в слоистых коллекторах (по сравнению с однородными) не установлено.
В результате выполненных исследований формулируется 3 защищаемое положение (стр. 5).
ГЛАВА 6. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме
остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений
В предшествующей главе методами экспериментального моделирования показана принципиально важная особенность дегазации вод на моделях, приближенных к
- 17 -
условиям месторождения Медвежье: от 5 до 15% газов, выделившихся из водорастворенного состояния, попадают в залежь, оставшийся газ остается в
водонасыщенной части пласта.
Вопросы о том, насколько верны подобные оценки и как газы,
выделившиеся из пластовых
вод, влияют на режим разработки, рассмотрены в настоящей главе на основе использования методики, позволяющей
по изменению коэффициента
обводнения уточнять начальные запасы газовых месторождений.
Для простоты расчетов
аналитические и графические
процедуры выполнены автором
с использованием программных
комплексов Petrel и DV Geo. По
данным текущих пластовых
давлений, подъема уровня вод
можно проследить динамику
изменения как объемов газонасыщенных пород (рис. 7), так и
объемов обводненных коллекторов (рис. 8) и вод, внедрившихся в залежь (табл. 8).
Рисунок 7. - Карта объемов
газонасыщенных коллекторов сеноманской залежи месторождения Медвежье (по
материалам ООО «Газпром
добыча Надым»). Составила
Н.Ю. Рахбари; по Ныдинской
части расчеты выполнены
Ю.И.Яковлевым, 2009.
- 18 -
Рисунок 8. - Карты объемов обводненных газонасыщенных коллекторов
сеноманской залежи месторождения Медвежье (по материалам ООО «Газпром
дбыча Надым»). Составила Н.Ю. Рахбари; по Ныдинской части расчеты выполнены Ю.И.Яковлевым, 2009.
На основании данных о газонасыщенности вод и составе ВРГ месторождения
Медвежье (гл. 3, 4) оценено количество газов, которые выделились из вод, внедрившихся в залежь за расчетный период (табл. 8).
- 19 -
Таблица 8. - Объемы вод, внедрившихся в залежь и выделившиеся из нее суммарные (кумулятивные) объемы газов (за период 2002-2006)
(Н.Ю. Рахбари, 2007)
УКПГ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Всего
2002
0,553
1,3
0,392
0,9
0,653
1,6
0,610
1,5
0,369
0,9
0,414
1,1
0,205
0,5
0,236
0,5
0,39
1,0
3,823
9,3
2003
0,595
1,5
0,401
1,0
0,665
1,7
0,641
1,6
0,385
1,0
0,418
1,1
0,219
0,6
0,236
0,5
0,436
1,1
3,996
9,9
Wв
, млрд.м3
Qвг
2004
0,630
1,6
0,404
1,0
0,674
1,7
0,675
1,7
0,408
1,0
0,425
1,1
0,225
0,6
0,25
0,6
0,458
1,2
4,149
10,5
2005
0,641
1,7
0,411
1,0
0,685
1,8
0,691
1,8
0,44
1,1
0,431
1,2
0,232
0,6
0,262
0,6
0,473
1,3
4,266
11,0
2006
0,658
1,7
0,436
1,1
0,801
2,1
0,757
1,9
0,451
1,2
0,453
1,2
0,305
0,8
0,266
0,6
0,523
1,4
4,648
12,2
В таблице 9 приведено соотношение выделившихся газов к объему остаточных
запасов газа. Как видно из таблицы, ВРГ составляют лишь небольшую часть от остаточных запасов газа, что нашло подтверждение и в результатах проведенного эксперимента. Вполне очевидно, что этот газ не имеет промышленного значения.
Таблица 9. – Доля газов, выделившихся из водорастворенного состояния,
в объеме остаточных запасов (Н.Ю. Рахбари, 2007)
Доля Qвг в Qост, %
УКПГ
2002
2003
2004
2005
2006
1
4,0
5,0
6,1
6,9
7,8
2
3,1
3,8
4,0
4,5
5,5
3
10,0
11,5
13,2
16,4
21,4
4
4,8
5,9
7,2
7,9
10,5
5
3,4
3,9
4,8
5,9
6,7
6
8,3
9,2
11,0
11,9
14,2
7
2,2
2,6
2,9
3,3
5,7
8
0,8
0,9
1,0
1,2
1,3
9
1,2
1,6
1,9
2,2
2,8
Всего
2,9
3,5
4,1
4,7
5,8
- 20 -
Основной объем выделившихся из водорастворенного состояния газов остается
в пласте и снижает, таким образом, фазовую проницаемость пород по воде, что является положительным фактором. Подтверждением служат построенные эпюры поднятия ГВК (рис. 9). Но часть ВРГ под воздействием техногенной геодинамики, может
попадать непосредственно в залежь.
Схема расположения
скважин
63
6
86
82
87
85
79
97
78
39
Рисунок 9. - Схема подъема ГВК на месторождении Медвежье за период 19852005 гг. На карте врезке положение скважин на Ныдинской части месторождения (по материалам ООО «Газпром добыча Надым»). Составила Н.Ю. Рахбари,
2006).
Конденсационная вода при этом будет «подтачивать» тонкие протоки, создавая
дополнительные условия для разгазирования. Чем менее заглинизирован разрез и чем
длительнее разрабатывалась соответствующая часть месторождения, тем в большей
степени газы, выделившиеся из водорастворенного состояния будут способны к перемещению из порового пространства непосредственно в залежь.
Сопоставлены запасы газа месторождения Медвежье на 01.01.1999 г. с начальными запасами, рассчитанными с учетом процессов дегазации, т.е. выделившихся газов из водорастворенного состояния. Выявлены некоторые расхождения в величинах
запасов, рассчитанных разными методами. Положительные невязки в расчетах по варианту с учетом выделившихся из вод газов возникли на тех участках залежи, где
фиксируется наибольший перепад пластового давления.
В результате выполненных исследований формулируется 4 защищаемое положение (стр. 5).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках настоящего диссертационного исследования вопрос о роли процессов
выделения газа при снижении пластового давления ниже давления насыщения, как в
геологических, так и промысловых условиях ставился и решался применительно к
месторождению Медвежье. Получены следующие результаты (табл. 10).
- 21 -
Таблица 10. – Основные результаты диссертационной работы
Поставленные задачи
Полученные результаты
1. Анализ влияния
геологических факторов на дегазационные
процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье.
Наибольшее влияние на дегазационные процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье оказали восходящие тектонические движения в олигоцене и сопутствующий
размыв верхних частей разреза, что привело к выделению из
вод сеноманского комплекса порядка 8 трлн. м3 газа. Важную
роль также сыграли связанные воды заглинизированных бортов Медвежьего вала, геологическая деятельность которых
привела к распреснению и повышению газоемкости пластовых вод.
Роль процессов дегазации природных пластовых вод на этапе
геологического развития Медвежьего вала сводится к созданию дополнительных (к литологическим) условий изоляции
приуроченной к валу зоны газонакопления от крупнейшей
водонапорной системы, т.е. к созданию благоприятных условий газонакопления. Разбуривание заглинизированных бортов месторождения может привести к резкому повышению
гидродинамической активности водонапорной системы,
окружающей залежь.
Гидродинамическая активность усиливает подвижность мелких газовых пузырьков, приводит к их слиянию друг с другом, а впоследствии и с ранее защемленным газом в локальных участках пласта. Объем газов, выделившихся из водорастворенного состояния и покинувших модель, не превышает 12% от общего количества газа в модели. Слоистость не
влияет на масштабы дегазационных процессов, но приводит
к более позднему их проявлению, что в геологическом плане
стало благоприятным фактором сохранности газовых скоплений, а на промысловом этапе «оттянуло» время начала обводнения эксплуатационных скважин.
Доля таких газов в целом признана несущественной (не более
10-15 % от объема остаточных запасов), однако по мере снижения остаточных запасов, доля выделившихся из воды газов в данном объеме будет возрастать (до 15-20% при снижении пластового давления до 1,0-1,5 МПа).
2. Обоснование роли
газов, выделившихся
из водорастворенного
состояния, в формировании месторождения
Медвежье.
3. Экспериментальная
оценка подвижности
газов, выделившихся в
пористой среде из подземных вод при снижении давления ниже
давления насыщения.
4. Оценка доли газов,
выделившихся из пластовых вод, в объеме
остаточных газов в
процессе разработки
газовых месторождений.
Основными задачами дальнейших исследований надо считать развитие направлений по изучению скорости растворения газов в подземных водах в условиях пористой среды, региональных проявлений зон газогеохимической инверсии пластовых
вод осадочных нефтегазоносных бассейнов, времени и условий сохранности вод, перенасыщенных газом, при различных термобарических условиях, влияния геофизиче- 22 -
ских полей на растворимость в воде и выделения из вод природных газов различного
состава, возможности продвижения свободного газа в условиях недонасыщенности
газами пластовых вод; проведению замеров реальных давлений в подошвенной водоносной части эксплуатирующихся месторождений, условий высвобождения газов из
диспергированного состояния в свободное. С решением этих важных вопросов автор
связывает свои дальнейшие научные планы.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях ВАК:
1.
Яковлев Ю.И., Рахбари Н.Ю. Оценка объемов защемленного газа на основе анализа коэффициентов обводнения газовых залежей. Естественные и технические науки. Москва. 2008. С. 172-176.
2.
Яковлев Ю.И., Сотникова Н.Ю. Технология оценки объемов защемленного газа на основе анализа коэффициентов обводнения газовых залежей. Геология,
география и глобальная энергия. Москва. 2010. №1. С. 91-95.
3.
Акулинчев Б.П., Рахбари Н.Ю. О механизмах взаимовлияния подземных вод и залежей нефти и газа. Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых
месторождений. Москва. 2010. №8. С.33 – 40.
4.
Рахбари Н.Ю. Экспериментальная модель разгазирования предельно
насыщенных вод в пористой среде при пластовом давлении ниже давления насыщения.
Современные проблемы науки и образования. Москва. 2011. № 4.
В других научных изданиях:
5.
Сотникова Н.Ю. Геологическая модель и оценка объемов защемленного
и водорастворенного газа в обводненной зоне месторождения Медвежьего / Тезисы
докл. "Третьей Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о
Земле». Новосибирск. 2006. С. 123-124.
6.
Рахбари Н.Ю. Экспериментальное моделирование процесса дегазации
подошвенных вод крупных газовых месторождений на заключительных этапах их эксплуатации / Сб. Международной конференции «Гидрогеология в начале XXI века».
Новочеркасск. 2007. С. 48-59.
7.
Рахбари Н.Ю. Физическое моделирование дегазации пластовых вод при
снижении давления ниже давления насыщения (применительно к режиму разработки
газовых месторождений) / Сб. Всероссийской научной конференции, посвященной 85летию А.А.Карцева. Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и
прикладные вопросы). 2010. С.320 – 324.
8.
Акулинчев Б.П., Рахбари Н.Ю. О возможных механизмах взаимодействия подземных вод с залежами нефти и газа / Сб. Всероссийской научной конференции, посвященной 85-летию А.А.Карцева. Современная гидрогеология нефти и газа
(фундаментальные и прикладные вопросы). 2010. С. 238-243.
9.
Акулинчев Б.П., Рахбари Н.Ю. Механизм взаимодействия водорастворенных и свободных газов в процессе формирования залежей углеводородов. Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика. 2011 №2 (4).
- 23 -