Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геологические палеореконструкции и вопросы освоения нефтяных месторождений на основе компьютерного моделирования

ВАК РФ 04.00.17, Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Геологические палеореконструкции и вопросы освоения нефтяных месторождений на основе компьютерного моделирования"

a oft

Министерство природных ресурсов Российская Академия Наук Всероссийский ордена Трудового Красного Знамени нефтяной научно -исследовательский геологоразведочный институт ( ВНИГРИ )

на правах рукописи

Кушмар Ирина Анатольевна

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПАЛЕОРЕКОНСТРУКЦИИ И ВОПРОСЫ ОСВОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)

Специальность: 04.00. 17 " Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого - минералогических наук

Санкт - Петербург 1997

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени нефтяном научно - исследовательском геологоразведочном институте (ВНИГРИ)

Научные руководители:

доктор физико - математических наук И. А. Волков (ВНИГРИ) кандидат геолого - минералогических наук Н.М. Крутиков (ВНИГРИ) Официальные оппоненты:

доктор геолого - минералогических наук, академик МАМР В.В.Грибков

кандидат геолого - минералогических наук, доцент ВА.Бережной (РГГУ) Ведущее предприятие: Геологический факультет Санкт - Петербургского Государственного Университета

ордена Трудового Красного Знамени нефтяном научно - исследовательском

геологоразведочном институте (ВНИГРИ).

191104, г. С. - Петербург, Литейный пр., 39, ВНИГРИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИГРИ

(ВНИГРИ)

Зашита диссертации состоится"/^ " ЛШс^- 1997г. в 1400 на заседании диссертационного Совета Д. 071.02.01 при Всероссийском

Автореферат разослан " "_^ _1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

А. К. Дертев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тематики. В связи с резко возросшей стоимостью геологоразведочных работ на нефть и газ в настоящее время при составлении проектов разведки, разработки, а также при анализе процесса эксплуатации нефтяных и газовых месторождений широко применяют математическое моделирование с использованием ЭВМ для описания геологических процессов. 'Использование ЭВМ при моделировании процессов позволяет просчитывать в автоматическом режиме большое количество вариантов и выбирать из них наиболее правдоподобные, что при ручной обработке было бы почти невозможно.

Созданные на основе физических законов и с применением математических методов геологические модели успешно используются отдельными нефтяными компаниями на различных стадиях поиска, разведки и разработки месторождений нефти и газа. Ряд геологических задач (таких как палеореконструкция динамики развития осадочного чехла и перемещения в нем поровых флюидов, выявления природы тех или иных аномалий, определения фильтрационных параметров коллекторов и покрышек, возможные средства их улучшения и другие вопросы освоения нефтяных месторождений) решаются ими на базе модельных построений. Но спектр разработанных моделей далеко не покрывает весь круг существующих проблем, а диапазон применимости часто ограничен принятыми в них постулатами и потому узок и редко поддается обобщению и развитию. В связи с этим представляется актуальным дальнейшее совершенствование и развитие моделирования в геологии с выходом на конкретные геологические объекты.

Цель и задачи работы: Основной целью диссертационной работы является количественная оценка ряда геологических и техногенных процессов (уплотнение пород, консолидационная фильтрация, формирование гидрохимических аномалий и тепловых полей ) путем расширения имеющегося спектра моделей и применения компьютерного моделирования при проведении геологических палеореконструкций и решении вопросов освоения месторождений.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1) Анализ существующих и применяемых на практике методов моделирования процессов консолидационной фильтрации при естественном уплотнении пород и способов воздействия на продуктивные пласты при освоении нефтяных месторождений .

2) Разработка математических моделей процессов консолидационной фильтрации с учетом фазовых превращений в системе минерального скелета пород, прогрева пласта тепловыми источниками и термоупругой фильтрации с учетом выделения газа и пара.

3) Компьютерное моделирование на основе созданных теоретических разработок с применением IBM PC/AT.

4) Создание программного обеспечения (ПО) к уже существующим моделям проведения геологических палеореконструкций и гидравлического разрыва пласта.

5) Апробация предложенных моделей, методик, ПО на реальных геологических объектах Западно - Сибирской нефтегазоносной провинции.

Методы и научная новизна исследования. Несмотря на очевидные преимущества использования ЭВМ при освоении нефтяных и газовых месторождений, количество геологических моделей, успешно прошедших апробацию на реальных геологических объектах и применяющихся отдельными нефтяными компаниями на различных стадиях разведки и разработки месторождений, довольно мало, а спектр их применения довольно узок. Последнее связано с тем, что, с одной стороны, ряд дополнительных феноменологических гипотез, используемый при моделировании геологических процессов накладывает сильные ограничения на область применения модели. С другой стороны, стремление чрезмерно "математизировать " модель ведет лишь к видимости обоснованности при значительном увеличении числа расчетных параметров, часть из которых в реальных геологических условиях задается с большой погрешностью и, таким образом, затраченные усилия не оправдываются.

Создавшаяся проблема, на наш взгляд, может быть решена путем оптимизации постановки задач, когда дополнительные гипотезы сведены к минимуму, а оценочные расчеты могут быть произведены по достаточно простым формулам.

В диссертационной работе при решении поставленных задач исследуемые процессы рассматривались в нетрадиционной постановке, что позволило прийти к интересным результатам с привлечением достаточно простого математического аппарата и градационно применяемых численных методов. В работе впервые:

- для процесса консолидационной фильтрации учитывается возможность фазовых превращений вещества, содержащегося в скелете пород (дегидратация глин, преобразование органического вещества и др);

- решена задача о распределении по разрезу пресной воды, выделяющейся в процессе преобразования глинистых минералов при уплотнении пород мезозойского возраста для Широтного Приобья (Ханты -Мансийской впадины) с использованием компьютерного моделирования;

- проведены геологические палеореконструкции для осадочного чехла севера Западно - Сибирской плиты с помощью компьютерного моделирования на основе модели консолидационной фильтрации;

- обосновывается использование радиоактивных источников, в том числе отходов ядерной промышленности, для прогрева пластов, содержащих тяжелую нефть, с проведением оценки эффективности такого прогрева;

- предложен метод оценки дополнительной нефтеотдачи за счет явления термоупругой фильтрации нефти в плохопроницаемых пластах с учетом вытесняющего эффекта выделяющегося из нефти газа и пара из воды в процессе прогрева пластов;

- проведено компьютерное моделирование процесса гидроразрыва пласта на основе фильтрационной модели ;

Основные защищаемые положения.

1. Реконструкция палеотектонического развития структур 1 -ого порядка мезозойско - кайнозойской слоистой терригенной толщи северной части Западно - Сибирской плиты на базе компьютерного моделирования процесса естественного уплотнения горных пород.

2. Оценка ареала влияния на пластовые воды пресной воды, выделившейся в процессе дегидратации пин при уплотнении слоистой осадочной толщи для Широтного Приобья.

3. Компьютерное моделирование процесса гидравлического разрыва пласта на основе задачи Стефана с целью выявления эффективности его применения в различных геологических условиях.

4. Применение и эффективность использования радиоактивного материала, в том числе отходов ядерной промышленности, в качестве нового источника тепла при термическом методе воздействия на пласт.

5. Оценка дополнительных ресурсов тяжелых нефтей Русского месторождения с учетом термоупругости нефти и выделения растворенного в ней газа.

Практическое значение работы.

Разработанные модели, методики, ПО и проведенные с помощью них расчеты могут быть использованы при решении задач:

- геологоразведки ( анализ тектонического развития структур 1 -ого и 2-ого порядка; определение масштабов аномалий в минерализации вод глубоких горизонтов и др.);

- освоения нефтяных месторождений (разработка способов повышения нефтеотдачи слабопроницаемых пластов; разработка способов повышения нефтеотдачи пластов, содержащих тяжелую и высоковязкую нефть).

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на 1 Международной конференции " Геохимическое моделирование и материнские породы нефтегазоносных бассейнов ( С.- Петербург, ВНИГРИ, 1995г); на I Международной конференции " Компьютерная графика, базы данных и компьютерное моделирование в нефтяной геологии " (С.- Петербург, ВНИГРИ, 1995г); на 1 Международной конференции (С. - Петербург, ВНИГРИ, апрель, 1996г); на секциях Ученого Совета ВНИГРИ. Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 4 печатных работах, 4 отчетах ВНИГРИ и научных разработках. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из Введения, 2 глав, Заключения и списка литературы, содержит^7 страниц маши-

г- 6

нописного текста, /¿fрисунков, таблиц, в списке гопературы/й наименований.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с процессами естественного уплотнения горных пород и консолидационной фильтрации; во второй главе исследуются вопросы освоения нефтяных месторождений (гидравлический разрыв пласта, прогрев тепловыми источниками прис-кважинной зоны, прогрев малопроницаемых зон за счет закачки теплоносителя в окружающие их хорошо проницаемые области).

Фактический материал, используемый в диссертационной работе, брался из отчетов ВНИГРИ и литературных источников. Работа выполнена в процессе обучения в очной аспирантуре при Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени нефтяном научно-исследовательском геологоразведочном институте (ВНИГРИ) в Отделе нетрадиционных ресурсов УВ-сырья. Непосредственное научное руководство осуществляли пх. н. сотрудник, доктор физико-математических наук Волков И А. и вед. н. сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук Н.М. Крутиков. Автор выражает им свою искреннюю признательность за руководство, научные советы, а также деятельную помощь в ходе совместных исследований и в процессе написания данной работы. Автор благодарен за ценные советы и помощь академику РАЕН М. Д. Белонину, докторам геолого - минералогических наук В. П. Якуцени, Грибкову В. В., Лебедеву Б А., кандидату геолого - минералогических наук А.К. Дертеву.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована цель и задачи диссертации, приводятся основные положения, выносимые на защиту, показана актуальность, новизна, практическая и теоретическая значимость проведенных исследований.

В первой главе исследуется процесс естественного уплотнения горных пород и связанное с ним консолидационное течение поровых растворов. Обсуждается проблема моделирования этих процессов в нефтегазовой геологии и кратко дается обзор сложившихся к настоящему времени представлений и существующих моделей.

Уплотнение пород - одна из причин деформации пород, носящая, в основном, пликативный характер и усложняющая тектоническое развитие геологических структур различного порядка. Сопутствующая ему консо-лидационная фильтрация в нефтегазовой геологии рассматриваются, как возможный механизм первичной миграции органического вещества и углеводородов из уплотняющихся пород вместе с отжимаемой водой (с последующей аккумуляцией их в коллекторе) и как одну из причин возникновения и сохранения аномально высоких пластовых давлений (АВПД) равно как и других геохимических аномалий в пласте в течении геологического времени. В отличие от консолидационной фильтрации в грунтах процесс уплотнения горных пород характеризуется рядом собенностей, а именно: геологическим масштабом времени протекания процесса, трудностями в определении начальных условий - распределений давлений или напоров воды в предшествующие геологические моменты времени, спе-

цификой строения осадочного чехла, обусловленной его слоистостью и неизвестностью распределения пород по разрезу ( их толщин и глубин залегания ) в предшествующие геологические времена.Поэтому при описании и исследовании процессов уплотнения и консолидационной фильтрации необходимо использовать нетрадиционные подходы к моделированию вышеуказанных процессов.

Так, при моделировании процесса естественного уплотнения обычно используют две упрощающие гипотезы о том, что : погружение горных пород может происходить только в вертикальном направлении, а пористость уплотняющихся пород конкретного минералогического состава определяется только глубиной их залегания. Последнее предположение основано на статистических данных анализа пористости керна и позволяет при моделировании рассматривать процесс уплотнения независимо от процесса консолидационной фильтрации.

Большой вклад в понимание процесса уплотнения и связанной с ним консолидационной фильтрации , а также в определение значения этих процессов внесли работы ученых: К. Терцаги (1925), М.Био( 1948), Н.М.Герсеванова ( 1948), В. А. Флорина( 1948), М.К.Хабберта и В.В Руби (Hubbert and Rubey, 1959), ТЛ.Томпсона (Thompson, 1973), Ф. Херджер-та (Herget, 1973), Г. X. Рике и Дж. В. Чилингаряна (Rieke and Chilingarian, 1974), К. Магары, Л. Г. Адамсона (Adamson, 1964) В. М. Добрынина, В. А. Серебряковой, Дж.Е.Смита (Smith, 1971), УХ. Фертля ( 1980 ), Л. Бонхэма, И А.Волкова (1972), С.Г. Неручева, Лагуновой И.А., В.В.Тихомирова, И.Н. Ушатинского, Н.М. Крутикова, ЕА. Гуревича, Л.Н. Капченко, Г.И. Сергеевой, ИЛ.Кузина и др.

Из спектра вопросов, связанных с естественным уплотнением пород, в диссертационной работе были рассмотрены тектонический и гидрохимический аспекты проблемы. Процессы естественного уплотнения горных пород и консолидационной фильтрации исследовались на основе модели И А.Волкова. Для слоистой осадочной толщи было создано программное обеспечение, позволяющее проводить с помощью модели геологические палеореконструкции, а также построена модель консолидационной фильтрации с учетом фазовых переходов компонентов скелета. Последняя может рассматриваться, как развитие существующей модели консолидационной фильтрации.

Предпочтение модели И. А. Волкова традиционно применяемым моделям Дж. Е. Смита и К. Магары было отдано благодаря тому, что количественные оценки для слоистого осадочного чехла могут быть выполнены по сравнительно простым формулам, время задается параметрически (через палеоглубины), вследствии чего не требуется задания темпа и эпюры осадконакопления во все предшествующие геологические периоды (в модели Дж.Е.Смита темп и эпюра осадконакопления подразумеваются известными). При проведении расчетов по этой модели используется минимум входной геологической информации(закон изменения пористости с глубиной и строение осадочного чехла в настоящий геологический мо-

мент). В дальнейшем, результаты расчетов используются для проведения палеотектонического анализа развития структур 1-го и 2-го порядков с учетом уплотнения пород( анализ развития более мелких структур (структур 3-го порядка) не рационален. Это связано с тем, что используемая модель не в состоянии обеспечить достаточную точность вследствии статистического характера используемой зависимости пористости пород от глубины).

В работе созданное программное обеспечение непосредственно применялось для проведения геологических палеореконструкций мезозой-ско - кайнозойских платформенных отложении по профилю Тазовское-Новая Земля ( Западная Сибирь ) и последующего палеотектонического анализа структур 1 -ого и 2-ого порядков: Тазовского куполовидного поднятия, Пурского мегапрогиба, Сеяхинского мегапрогиба и Нурминг-ского мегавала . Результаты расчетов представлялись в табличном и графическом виде. В таблице 1 указаны рассчитанные с помощью созданного программного обеспечения изменения амплитуд этих структур в процессе деформации нижнего слоя, сложенного песчано - глинистыми отложениями. Геологические палеореконструкций выполнялись для моментов времени, отраженных в таблице 1. На рисунке 1 приводится палеорекон-струкция изменения рельефа фундамента ( положение фундамента в настоящий геологический момент времени бралось на основании разреза, составленного И.И. Нестеровым; изменение пористости пород, слагающих разрез, описывалось экспонентциальной зависимостью от глубины залегания). Нулевой уровень щубины залегания на рис. 1 соответствует поверхности осадконакопления.

Кроме тектонической стороны вопроса, связанной с естественным уплотением пород, исследовался процесс уплотнения горных пород, при котором материал скелета породы в результате каких-либо физико- химических превращений частично переходит в газообразные, жидкие или даже в твердые продукты реакций, растворяющиеся в поровой жидкости и в дальнейшем перемещающиеся с потоком отжимаемых вод. К процессам такого рода могут быть отнесены: генерация углеводородов из рас-сеяного органического вещества, процессы растворения и отложения солей при меняющихся термодинамических условиях, явление дегидратации сред и многие другие, связанные с изменением фазового состояния вещества скелета пород.

В диссертационной работе при моделировании вышеуказанного процесса консолидационной фильтрации с межфазовым обменом, в добавление к упрощающим предположениям модели ИЛ. Волкова, использовалось утверждение, что уплотняющаяся среда состоит из материалов двух типов: основного-"несущего" компонента, не претерпевающего никаких физико-химических превращений (кроме уплотнения), и фазовоиз-менчивой несжимаемой примеси, заполняющей часть пор породы. На основе уравнений сохранения вещества скелета горной породы и водного раствора, а также допущения, что количество фазовоактивной

1.00Е+03 т

Тззовское куполовидное

Сеяхинский мегапрогиб

Нурмингский мегавал

О.ООЕ+ОО

-1.00Е+03 • ■

-2.00Е+03 • •

-З.ООЕ+ОЗ > ■

•4.00Е+03 ■ ■

-5.00Е+03

-б.ООЕ+ОЗ ■ ■

-7.00Е+03

И, М

Рис. 1. Палеореконструкции рельефа фундамента (от настоящего времени 1=Ю до времени завершения осадконакопления в конце средней юры \-ХТ)

Структурные элементы

Время Тазовское куполовидное поднятие и Пурский мегапрогиб Сеяхннсккй мегапрогиб и Нурмингский метав ал

Толщина слоя в Таз. купол, поднятии ,м Изменен ие ТОЛЩИНЫ, м Толщина слоя в Пурском мегапро гибе.м Изменен ие толщины, м Изменение амплитуды Таэовс. купол, поднят. Толщина слоя в Сеяхинск, мегапрог ибе.м Изменение толщины , м Толщина слоя в Нур. метав ал, м Изменен ие толщины Изменение амплитуды Нурм. мегавала

в м. в % от соврем . ампл. в м. в % от соврем, ампл.

Настоящий геоло— гическ. момент 950 1750 1680 1070

Конец палеогена 952 +2 1753 +3 1 0,5 1683 +3 1071 +1 2 1

Конец позднего мела ( Гань-кинскойсвиты) 957 +5 1760 +7 2 1 1698 +15 1076 +5 10 5

Конец раннего мела (Уренгойской святы) 981 +24 1805 +45 21 10,5 1727 +29 1095 +19 10 5

Конец раннего мела (Кошайской сжиты) 1017 +36 1863 +58 22 12 1787 +60 1139 +44 16 9 |

Конец раннего мела (Вартовской свиты) 1020 +3 1868 +5 2 1 1792 +5 1143 +4 1 0,5

Конец раннего мела (Мегионской свиты) 1148 +128 2063 +195 67 36 2001 +209 1291 +148 61 33

Конец средней юры (Тюменской евши) 1232 +84 2220 +157 73 39 2173 +172 1378 +87 85 47

Таблица 1 Изменения амплитуд структур 1 порядка в процессе деформации нижнего слоя пород Тюменской свиты, вызванной естественным уплотнением, по профилю Тазовское - Новая Земля ((Западная Сибирь).

примеси достаточно мало по сравнению с объемом всего скелета, была создана модель, позволяющая определить профиль распределения переносимой поровыми водами фазовоакгивной примеси, которая выделиась в результате фазовых переходов из минерального скелета пород.

В работе решалась задача дегидратации глин, осложненной минеральными преобразованиями, применительно к Широтному Приобью (Ханты Мансийская впадина). В данном случае, монтмориллонит, преобразуясь в гидрослюды, терял цеолитную воду. Вода, являясь химически чистой, в связанном состоянии имеет большую плотность (до 1,4 г/см3), чем свободная вода. И при высвобождении цеолитной воды образуется достаточно большое количество пресной воды, в результате чего могут наблюдаться аномалии в распределении солености пластовых вод на глубине.

В настоящее время условия дегидратации монтмориллонита при переходе его в гидрослюды остаются довольно спорными. Явление дегидратации гаин во многом зависит от геологических условий формирования осадочного чехла, в частности - от палеотемпературы. Исследованию дегидратации сред было посвящено много научных работ. Среди них труды Н. Б. Вассоевича, А. М.Блоха, Перрозио Г.Н., Пауэрса Н.К., Лебеде-войГ.В., Черникова КА., Колодня В.В., Лагуновой И А., Перри Е.А., Хи-тарова Н.И., Лунина В.А., и др.

Авторами этих работ отмечается , что при определенных геологиче ских условиях процесс катагенетической гидростодизации монтмориллонита может играть существенную роль в образовании маломинерализованных пластовых вод на больших глубинах, а также обуславливать на чало эмиграции углеводородов из материнских пород. По результатам расчета, полученных автором для Ханты - Мансийской впадины следует, что дегидратация глин является одним из наиболее вероятных факторов образования вод пониженной минерализации в этой области, что подтверждается гидрохимическими исследованиями в Западно - Сибирской нефтегазоносной провинции ( работа И. А. Лагуновой и др., а также данными опорных Ханты - Мансийской и Малоатлымской скважин по минерализации пластовых вод).

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные со вторичными методами воздействия на продуктивные пласты в целях повышения нефтеотдачи и имеющие непосредственное отношение к освоению нефтяных месторождений в Западно - Сибирской НГП.

Гидравлический разрыв пласта. В настоящее время преимущества использования гидроразрыва являются общепризнанными геологами - нефтяниками. Они заключаются в

- возможности его применения к пластам различной литологии, от весьма проницаемых слабопроницаемых песчаников до почти непроницаемых весьма прочных гранитов;

- заметном улучшении фильтрационных параметров пласта на значительном удалении от ствола скважины после его проведения;

- экологически чистой технологии его проведения.

Но несмотря на сравнительно большое количество осуществленных в мире гидроразрывов ( сотни тысяч ) и ряд неоспоримых преимуществ этого метода, его использование остается довольно проблематичным. Это связано с тем, что механизм протекания процесса гидроразрыва до сих пор не изучен в достаточной степени и существующая теория не развита так, как требует того практика при составлении и обосновании надежности проектов этого технического мероприятия, которое далеко небезопасно. С одной стороны, эмпирические исследования хотя и способствуют формированию представлений о механизме гидроразрыва пласта (характере нарушения сплошности пласта, ориентации и ширине трещин гидроразрыва, степени заполненности их закачиваемым песком и т.д.), но возможности таких исследований ограничены: в лабораторном моделировании трудно создать условия подобия, а натурные эксперименты не могут проводиться широко вследствии их дороговизны. С другой стороны, строгое математическое описание процесса гидроразрыва не возможно из-за сложности и недостаточной изученности взаимодействия сопутствующих физических явлений, определяющих конечное состояние пород.

Все это приводит к тому, что при моделировании процесса необходимо прибегать к различного рода упрощениям и постулатам, принимая во внимание то, что главным является установление количественных зависимостей между исходными фильтрационными параметрами породы, интенсивностью воздействия и конечным состоянием породы.

В диссертационной работе исследовалась эффективность применения гидроразрыва к пластам различной литологии с помощью компьютерного моделирования, выполненного на основе фильтрационной модели гидроразрыва пласта И А. Волкова ( 1992 г). Использование именно этой модели для компьютерного моделирования было связано с тем, что модель свободна от предположений о геометрии нарушения сплошности пласта VI позволяет получить осредненные коэффициенты фильтра-ции(коэффициенты пьезопроводности и проницаемости), а также определять положение границы гидроразрыва и профили распределения давления в процессе гидроразрыва по сравнительно простым формулам, легко применимым на практике. Результаты расчетов сверялись с данными натурных экспериментов, опубликованными в книге Дядькина В .Д. (1989 г). Расчеты проводились для скальных пород (гранодиориты) в штате Нью-Мексико, США; нефтяного пласта, содержащего обычную нефть ( пласт Сан- Мануэль, США) и нефтяных пластов, содержащих тяжелую нефть Русского месторождения (Западная Сибирь). По первым двум примерам расчета имелись данные натурных экспериментов. В процессе расчета был подтвержден экспериментальный факт, что гидроразрыв способен увеличить коэффициенты пьезопроводности и приницаемости по сравнению с первоначальными на несколько порядков. Значения рассчитанных

размеров зоны, охваченной воздействием гидроразрыва, совпадают, в пределах точности, с наблюдаемыми экспериментально. Так, по данным расчета при длительности гидроразрыва 5 часов, радиус этой зоны для скальных пород составит 41,6 м; для пласта, содержащего обычную нефть - 80,5 м и для пласта, содержащего тяжелую нефть - 40 м.

Использование новых тепловых источников, содержащих радиоактивные

материалы для разогрева продуктивных пластов В нефтепромысловой практике наиболее традиционными методами воздействия на продуктивные пласты в целях повышения нефтеотдачи являются тепловые методы. Наряду с хорошо известными термическими методами (закачка в гшаст различных теплоносителей, внутрипластовое горение) применяют и нетрадиционные. К таким методам относят прогрев забойной зоны скважин различными тепловыми источниками. Согласно работе Ж.Бурже,П, Сурио, М.Комбарну( 1988 г) и др., при таком прогреве забойной зоны обычно используют электронагреватели и горелки. Автором диссертационной работы предлагается новый способ тепловой обработки прискважинной зоны - помещение в скважину, в качестве генераторов тепла, радиоактивных источников. По мнению автора, использование такого способа прогрева достаточно правомерно, на сегодняшний момент вполне осуществимо и актуально. Такой вывод был сделан на основании:

1. Полученных автором результатов оценочных расчетов по прогреву горных пород пространственно-локализованными источниками тепла, которые позволили оценить требуемые мощности источников и температуры прогрева в зависимости от времени. Так, при мощности " точечного источника" 20кВт, пласт за 1,5 года прогреется до 15° С на расстоянии 20 м. Полученное значение температуры пласта является заниженными, т.к. при расчетах мы считали что тепло будет распространяться только путем теплопровод

ности и не учитывали возможности конвективного теплообмена. На практике, в случае пластов, в которых первоначально находилась покоящаяся нефть с газовым фактором и водонасыщенностью Бв в процессе прогревания пласта в них будет происходить расширение нефти, а при высокой температуре (200-300 °С) и попутное выделение из нее газа, а из воды - пара. Это, в свою очередь, будет создавать вытесняющий эффект, приводящий к движению нагретого флюида (смеси нефти, газа, пара). Таким образом, к расространению тепла теплопроводностью добавится конвективный теплоперенос за счет движения нагретых флюидов, что, в свою очередь, увеличит размер прогретой зоны. К месторождениям на которых возможен такой прогрев может бьггь отнесено Русское месторождение (Западная Сибирь) и другие месторождения. Для таких месторождений можно утверждать,что полученные нами значения температур прогрева пластов будут занижены (оценка "снизу");

2. Анализа ряда работ, посвященных исследованию радиоактивных (р/а) элементов и их практическому применению, который привел к выводу, что прогрев горных пород с помощью радиоактивных источников вполне возможен и перспективен благодаря тому, что радиоизотопы обладают, по сравнению с известными энергетическими источниками, весьма существенным преимуществом - их энерговыделение абсолютно не зависит от внешних условий и определяется только массой источника и периодом полураспада р/а изотопов. Таким образом, при использовании р/а изотопов с большим временем полураспада можно обеспечить практически постоянное энерговыделение в течение длительного времени (десятки и более лет).

Существенным препятствием для применения р/а изотопов служит их повышенная опасность из-за радиоактивного излучения. Но накопленный успешный опыт по использованию р/а изотопов в вкачестве генераторов электрической энергии, и опыт по созданию защитного оборудования для мощных р/а источников, а также современный уровень техники и знаний позволяет свести к минимуму опасность использования р/а изотопов;

3. Исследования проблемы утилизации р/а отходов, которое позволяет заключить, что это относится к одной из первоочердных задач современности в связи с тем, что по предварительным оценкам к 2000 году будет накоплено 376 ООО Мкгори сбросных продуктов деления. Эти продукты деления в промышленных целях уже не используются, но тем не менее могут представлять источник повышенной опасности, а если не предпринимать никаких мер по их дальнейшему хранению и переработке, то могут привести к катастрофе. В работе рассматривается возможность использования тепловых р/а источников на р/а отходах. Из результатов исследований следует,что в качестве топлива для источников энергии (в частности, для электрогенераторов ) годятся только топлива перспективных реакторов с высокообогащенным ядерным топливом, которое применяется, например, в военных реакторах (атомные подводные лодки). а тепловыделяющие элементы (ТВЭЛЫ) реакторов типа ВВР и РБМК из-за низкой удельной мощности не годятся, если их не перерабатывать на специальных комбинатах (типа "Маяк" в Челябинске).

Обработка ТВЭЛов на таких специальных комбинатах повышает энерговыделение на несколько порядков, но стоимость источника тепла, естественно, возрастет. Наиболее приемлемым, на взгляд автора, с точки зрения стоимости и мощности энерговыделения будет не выделение совершенно чистых р/а изотопов из отработавших ТВЭЛов, а получение р/а изотопов с некоторой долей примеси. Ниже предлагаются ( таблица 2) наиболее рекомендуемые радиоизотопы и их соединения для использования в качестве тепловых источников (данные заимствованы у У.Корлисс и Д .Харви ( 1972).

Отметим, что все приведенные в таблице 2 р/а изотопы и соединения не являются нейтронными излучателями и потому не приводят к появле-

а) Радиоактивные элементы

Радиоизотоп Период полураспад а, годы Руд, Вт/г Примечания

Стронцин-90 Бг*0 28 0,93 Продукт деления, незначительное у -излучение, рекомендуется использовать в виде соединений (Бг Т1 Оз, Бг О, Бг 2г Оз)

Цезий-137 Се137 30 0,27 продукт деления, хорошо растворим в воде

Церий-144 Се144 0,78 25 продукт деления, жесткое у излучение

Прометий-147 Рш'47 2,5 0,37 продукт деления, незначительное у -излучение

Полоний ро210 0,379 141 слишком высокая стоимость, получается в реакторе в результате облучения висмута

Плутоний-238 Рц238 89 0,55 Низкое Руа, слабое у -излучение

Кюрий 0,447 120 Очень высокое Руз

Кюрий 18 2,8

(Р> Соединения

Плотность г/см3 Температура плавления Рта, Вт/г

5,11(4,0) 1910 0,45(0,25)

вгО 4,7 2430 0,79

Эга-Оз 5,5 2700 0,34

СвС1 3,97 646 0,22

СвР 3,58 964 0,24

Се О 3,77 600 0Д4

Цезиевый полиглас 3 1100 0,07

^ись 10,97 2750 4Д

жис 13,6 2450 4,5

14,32 2650 4,4

Таблица 2 Рекомендуемые радиоизотопы и их соединения для использования в качестве радиоактивных тепловых источников.

нию р/а элементов вне объема самого герметичного радиоактивного источника тепла (РИТ). При строгом регламентированном соблюдении технических условий их использования они совершенно безопасны как для внешней среды, так и для персонала, их использующего. Эти источники рассчитаны на высокие давления и температуры при гарантированной их сохранности на долгие годы, практически до их распада. Таким образом, при использовании р/а источников тепла с соблюдением правил их транспортировки и эксплуатации возникает возможность применять их в течении длительного времени для прогрева продуктивных пластов.

Термоупругая фильтрация в низкопроницаемых нефтяных пластах. При подсчете запасов в неоднородном (слоистом) пласте часть его нефте-насыщенной мощности с пониженной проницаемостью часто относится к забалансовым запасам. Оказывается, что при тепловом воздействии на пласт можно попутно извлечь часть этой забалансовой нефти, благодаря процессу термоупругой фильтрации.

Если проницаемость слабопроницаемых прослоев (линз, зон и т.д.) продукшвного пласта существенно ниже проницаемости граничащих слоев, то при нагнетании горячего рабочего агента в продуктивный пласт, последний не проникает в низкопроницаемые разности ( прослои, линзы, зоны и. т. д.). Тем не менее происходит их нагрев только за счет теплопроводности соприкасающихся с ними прогретых высокопроницаемых зон. В результате возникает термоупругое расширение нефти, а при высокой газонасыщенносги - попутное выделение растворенного в ней газа, что , в свою очередь, ведет к возникновению избыточного давления в слабопроницаемых областях, которое способно обеспечить отток нефти в более проницаемые зоны. Желтовым Ю. В., Хавкиным А. Я. и Малофеевым Г. Е. (1992 ) была решена задача, в которой учитывался вклад от эффекта термоупругой ильграции для значения суммарной нефтеотдачи пластов. Независимо от них нами была разработана методика, которая позволяет оценивать не только термоупругую фильтрацию нефти, но и учитывать эффект образования газовой фазы при тепловом воздействии на пласты, содержащих нефть с большим газовым фактором ( высоким давлением насыщения).

Созданная методика была применена для оценки значений дополнительной нефтеотдачи на Русском месторождении ( Западная Сибирь). Русское месторождение является нефтяным месторождением с газовой шапкой. В состав него входит 5 уникальных по запасам залежей тяжелых нефтей. Месторождение разбито на отдельные блоки, которые имеют ярко выраженную слоистую структуру с перемежающимися хорошо проницаемыми и малопроницаемыми прослоями, причем суммарная мощность проницаемых пород составляет, согласно Нестерову И. И. ( 1971 ), приблизительно 50 % от общей мощности продуктивных отложений. Нефть Русского месторождения - тяжелая, высоковязкая, малосернистая, обладает высоким газовым фактором (от 10 м3 / м3 до 30 м3 / м3). Месторожде-

Рис. 2. Графики зависимости дополнительной нефтеотдачи по отношению к забалансовым запасам Одоп(Т) от температуры прогрева пластов Т и газового фактора <2г.

Рис.3. Графики зависимостей дополнительной нефтеотдачи по отношению к балансовым запасам £ доп от температуры прогрева пластов Т и соотношения мощностей ЬНп^п при газовом факторе Ог=15 м3/м3'.

ние неоднократно рекомендовалось для разработки, но в настоящее время оно все еще находится на стадии разведки.

Ввиду вышеуказанных особенностей геологического строения и физических свойств нефти для эффективной эксплуатаци месторождения несомненно придется использовать различные методы воздействия на продуктивные пласты. Наиболее хорошо освоенным и традиционно приме няемым способом воздействия на продуктивные пласты такого типа является закачивание теплоносителя ( горячей воды гаи нагретого пара ). Существующие методики позволяют оценить с различной степенью точности предполагаемое увеличение дебита скважин и коэффициента извлечения нефти за счет использования этого метода, но без учета нефтенасы-щенных слоев с пониженной проницаемостью, так как считается, что туда теплоноситель практически не поступает. При кратковременных тепловых воздействиях такой подход правомерен, но если тепловая обработка про-одится длительное время ( в промысловой практике порядка от 1 года до 3 лет), то малопроницаемые слои будут нагреваться вплоть до температуры пластов, в которые закачивается теплоноситель (в случае использования в качестве теплоносителя горячего пара, температура может достигать 300 С ). В процессе прогрева будет происходить, как отмечалось выше, термоупругая фильтрация нефти и в итоге будет увеличиваться предполагаемое ( теоретическое ) значение общей нефтеотдачи. Эта добавка к нефтеотдаче за счет плохопроницаемых слоев будет тем больше, чем больше суммарная толщина малопроницаемых прослоев в продуктивных отложениях. Результаты расчетов для Русского месторождения показали, что вклад дополнительной нефтеотдачи за счет термоупругой фильтрации нефти и выделения газа, растворенного в ней д общую нефтеотдачу будет довольно значительным и его необходимо учитывать при использовании тепловых методов воздействия на пласт. Ниже представлена часть расчетов, которые выполнялись по наличной информации по Русскому месторождению, подтверждающих сделанное утверждение (рис. 2,3 ).

В Заключении сформулированы основные выводы работы, которые состоят в следующем:

1. Создано программное обеспечение, позволяющее проводить па-леореконструкции взаимного положения слоев в процессе естественного уплотнения пород для любой слоистой осадочной толщи.

2. Для севера Западно-Сибирской плиты проведен палеотектонический анализ структур 1 порядка мезозойско-кайнозойских отложений.

3. Создана модель консолидационной фильтрации с учетом фазовых переходов в скелете уплотняющихся горных пород с использованием компьютерного моделирования.

4. Рассчитано распределение по разрезу пресной воды, освобождающейся при катагенетической гидрослюдизации мотмориллонита в процессе уплотнения горных пород Широтного Приобья.

5. Создано программное обеспечение, позволяющее производить оценку эффективности применения гидроразрыва пластов различной литологии.

6. Обосновывается эффективность и возможность использования радиоактивных источников тепла, для прогрева продуктивных пластов.

7. Создана методика оценки дополнительной нефтеотдачи слабопроницаемых пластов за счет термоупругого расширения нефти и растворенного в ней газа.

8. Показана необходимость учета термоупругости нефти и выделения растворенного в ней газа при оценке дополнительных ресурсов тяжелых неф-тей Русского месторождения (Западная Сибирь).

Список работ автора по теме диссертации:

1. Решение частной задачи теории консолидационной фильтрации с учетом фазовых преобразований. II Тезисы докладов Первой Международной конференции " Геохимическое моделирование и материнские породы нефтегазоносных бассейнов", С. - Петербург, 1995г.

2. Использование компьютерного моделирования при реставрации па-леопроцессов для консолидационной фильтрации для слоистой осадочной толщи. //Тезисы докладов Первой Международной конференции " Компьютерная графика, банки данных, компьютерное моделирование в нефтяной геологии С. - Петербург, 1995. Совместно с Волковым И. А., Кушмаром И.Ф.

3. Разработка модели консолидационной фильтрации с учетом фазовых преобразований и ее применение к нефтегеологическим условиям кайнозойских бассейнов Дальнего Востока. // Тезисы докладов Первой Международной Конференции " Нефтегазоносные бассейны Западно - Тихоокеанского региона и сопредельных платформ : сравнительная геология, ресурсы и перспективы освоения", С. - Петербург, 1996. Совместно с И. А. Волковым.

Отпечатано ООО "Ризо-принт" Тираж 100 экз. Заказ № -¿у"/¿Г

Бесплатно.