Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплекс геофизических и геохимических методов исследований при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных хранилищ газа в водоносных пластах

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Комплекс геофизических и геохимических методов исследований при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных хранилищ газа в водоносных пластах"

На правах рукописи

ДАНИЛЬЕВА Наталья Андреевна

КОМПЛЕКС ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ, СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА В ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТАХ

Специальность 25.00.10 - Ггофизика, геофизические

методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Jj>

2 ИЮН 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

4848906

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Молчанов Анатолий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Фоменко Владимир Григорьевич,

кандидат геолого-минералогических наук

Чугунов Андрей Владиленович

Ведущая организация - ПФ «Мосгазгеофизика» ООО «Георесурс».

Защита диссертации состоится 22 июня 2011 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.01 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 20 мая 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета канд. геол.-минерал. наук И.Г.КИРЬЯКОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В связи со строительством «Северного потока» газопровода и выходом России на новые рынки экспорта газа, создание новых подземных хранилищ газа и мониторинг уже эксплуатирующихся ПХГ становится актуальной задачей.

Подземное хранение газа в нашей стране имеет уже более чем сорокалетнюю историю. Начало создания подземных хранилищ газа было положено в 1958 году, когда были введены в эксплуатацию в качестве газохранилищ мелкие выработанные залежи истощенных нефтяных месторождений Самарской области. Они использовались преимущественно для утилизации попутного газа, добываемого из нефтяных месторождений. Первым газохранилищем, созданным в водоносном пласте, стало Калужское.

Минимизация экологического ущерба от эксплуатации ПХГ и экономического ущерба от ликвидации последствий возможных аварийных ситуаций могут быть достигнуты только при постоянном мониторинге режима работы ПХГ на основе данных геофизических, геологических, гидрогеологических, атмо-лито-геохимических исследований; систематического анализа надежности работы наземного оборудования, включая газопроводы (шлейфы) и подземного скважинного, работы продуктивного пласта и прискважинной зоны продуктивного пласта, состояния вышележащих и нижележащих пластов горного массива каждого конкретного хранилища с его геолого-технологическими особенностями.

Значительный вклад в области геофизического и геохимического контроля за станциями подземного хранения газа внесли Р.Ш. Алиев, Л.И. Баранов, В.И. Борисов, С.А. Венско, В.Н. Даниленко, А.С. Дергач, В.В. Евтушенко, А.П. Зубарев, А.И. Лысенков, В.А. Марков, А.Н. Петров, А.П. Потапов, Ю.Р. Рыбин, В.А. Сидоров, А.В. Скобелев, В.В. Смирнов, А.П. Тимошенко, А.В. Чугунов.

Для дальнейшего развития направления подземного хранения газа в РФ необходимо внедрение инновационных технологий, которые могут быть использованы как при проектировании новых ПХГ, так и для продления срока безопасной эксплуатации действующих подземных хранилищ газа.

Недостаточная геологическая изученность выбранного пространства, нарушение технологического режима бурения скважин,

недостатки эксплуатационного обустройства могут привести к разгерметизации хранилища и значительным утечкам газа, прорывающегося в вышележащие отложения, вплоть до выхода на дневную поверхность. Особенно этот фактор следует учитывать при расположении ПХГ вблизи тектонических нарушений.

Для реализации мониторинговых исследований необходимо разработать и внедрить оптимальный комплекс геологических, геофизических, геохимических и других методов исследований, обеспечивающий контроль режима работы ПХГ, прогнозирование и исключение аварийных ситуаций.

Цель работы. Разработка комплекса геофизических и геохимических методов исследований для повышения эффективности эксплуатации ПХГ.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

анализ возможностей космических, аэрогеофизических, наземных, скважинных и межскважинных методов и комплекса методов для решения геологических, геофизических, технических и экологических задач;

- исследование разрешающей возможности методов и аппаратуры контроля режима работы объектов, возможных отклонений от штатных ситуаций с целью их прогнозирования и при необходимости ликвидации;

теоретические и экспериментальные исследования и математическое моделирование для решения геологических задач по разработке критериев оценки состояния объектов, обеспечивающих надежную и безопасную эксплуатацию ПХГ;

- разработка алгоритмов и выбор обрабатывающих программ интерпретации данных измерений с учетом влияния искажающих факторов и внесения соответствующих поправок.

Основные методы исследований:

- сбор, изучение, систематизация, обобщение и анализ различных методов исследований (геофизических, гидрогеологических, атмо-лито-геохимических, петрофизических и др.) для задач обеспечения мониторинга эксплуатации ПХГ;

- использование разработанных методов сейсмоакустической межскважинной томографии, электроразведки МПП ЗСБ, комплекса геофизических исследований скважин для проведения исследований;

- использование новейшего программного обеспечение для обработки и интерпретации полученных результатов (CorelDraw, LESSA, XTomo LM2.0, Горизонт, Prime и др.).

Научная новизна работы:

1. На основе линеаментного анализа данных космической съемки, аэрогеофизических исследований (магнитная и гамма-съемка, гравитационные измерения) наземных методов (высокоразрешающая сейсморазведка, высокоточная гравиразведка), скважинных методов (ВСП, комплекс ГИС) предложена физико-геологическая модель подземного пространства, позволяющая выбрать перспективные участки под создание ПХГ, свободные от тектонических нарушений.

2. Разработан комплекс ядерно-физических, акустических и электромагнитных методов исследований скважин ПХГ в водоносных пластах с целью определения фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта (дебит скважин, состав флюидов, рабочие интервалы отбора закачанного и отобранного газа) и режима работы технологических, контрольных, геофизических и других скважин (заколонные перетоки, дефекты эксплуатационных колонн, НКТ) и износа скважинного оборудования при циклических закачках и отборах газа.

Защищаемые положения:

1. Для выбора участка, перспективного под создание ПХГ. свободного от тектонических нарушений и определения основных параметров исследуемой структуры (глубина залегания, мощность водоносного пласта и др.) предложен комплекс исследований, состоящий из космических (дешифрирование космических снимков), аэрогеофизических (линеаментный анализ магнитной, гамма-съемки и гравиразведкн) и наземных методов (высокоразрешающая сейсморазведка и высокоточная гравиразведка).

2. Разработан комплекс для установления путей миграции газа из продуктивного пласта ПХГ и выявления зон его возможного накопления в вышележащих горизонтах, состоящий

из методов электроразведки МПП ЗСБ и межскважинной сейсмоакустической томографии.

3. Предложена методика мониторинга ПХГ с использованием геофизических методов исследования скважин (радиоактивные, акустические, гидродинамические, электромагнитные методы каротажа, термометрия и др.) и геохимических методов (подповерхностная и атмосферная съемки, опробование флюидов и геоэлектрохимия) для контроля режима эксплуатации ПХГ и прогнозирование аварийных ситуаций.

Достоверность. Достоверность определяется достаточным объемом экспериментальных и модельных исследований, а также высоким техническим уровнем применяемой аппаратуры, программных пакетов обработки и интерпретации данных, высокой сходимостью результатов моделирования с наземными и скважинными исследованиями.

Практическая значимость работы.

Комплекс методов электроразведки МПП ЗСБ и межскважинной сейсмоакустической томографии позволил выявить ослабленные трещиноватые зоны в горном массиве, обусловленные циклической работой ПХГ и уточнить геологический разрез по электрическим свойствам, выделить газонасыщенные и водонасыщенные зоны.

Разработан комплекс геофизических и геохимических исследований, позволяющий обеспечить оптимальный выбор мест заложения хранилищ газа, полный контроль за эксплуатацией подземного хранилища газа в режиме мониторинга, обеспечивая безопасность экологической обстановки района работ.

Реализаиия результатов работы. Результаты, полученные в настоящей работе, использованы для осуществления мониторинга ПХГ Северо-Западного региона.

Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на международной молодежной научно-практической конференции «Геофизика -2009» и на II - ой международной научно - практической конференции молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского, конференции «СЕВЕРОГЕОТЕХ-2011».

Публикации. По теме диссертации автором в период 2008-2011 гг. были опубликованы 8 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. Общий объем 181 страница, 48 рисунков, 10 таблиц. Библиографический список включает 112 наименований.

Работа выполнена на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых в период 2008-2011 гг. в Санкт-Петербургском Государственном Горном Университете.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю проф. А.А. Молчанову за возможность написания работы и помощь в ее создании, благодарность, к.г.-м.н. А.И. Лысенкову, к.т.н. О. Рыскаль, А.Г. Болгарову, к.т.н., доценту Д.Н. Дмитриеву, к.т.н. В.Н, Даниленко, к.т.н. А.П. Зубареву и сотрудникам кафедры ГФХМР: заведующему кафедрой профессору А.С. Егорову, профессорам О.Ф. Путикову, А.Н. Телегину за помощь и поддержку при подготовке диссертационной работы.

Основное содержание работы Введение. Во введении приводится общая характеристика работы, обоснованы актуальность работы, цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы. В первом главе приведены основные типы ПХГ, эксплуатирующиеся в России и за рубежом. К ним относятся ПХГ, созданные в истощенных месторождениях углеводородов, в водоносных пластах, в солевых кавернах, горных выработках, шахтах и прочие. Оценены основные проблемы и сложности, возникающие при их проектировании, строительстве и эксплуатации ПХГ, заключающиеся в различных способах разгерметизации газохранилища и возможного выхода газа за пределы ловушки в вышележащие отложения. Обоснована необходимость постоянного контроля режима работы газохранилищ. Во второй главе рассмотрен комплекс методов геофизических исследований, позволяющий оценить перспективность территории под создание хранилищ газа и выбрать оптимальный участок для будущего ПХГ. Обоснованы перспективность и целесообразность применения дешифрирования космических снимков и

аэрогеофизических данных (магнитная и гамма-съемки, гравиразведка), метода высокоразрешающей сейсморазведки, высокоточной гравиразведки и электроразведки (МПП ЗСБ и ЗСД) с целью исследования горного массива на отсутствие на участке горного отвода тектонических нарушений на основе линеаментного анализа. В третьей главе рассмотрены геологические и технические задачи исследований, которые необходимо решать при строительстве и эксплуатации ПХГ, намечены и обоснованы методика и аппаратура для их решения. Выбран и научно обоснован комплекс методов геофизических и геохимических исследований. Важнейшей задачей при мониторинге ПХГ является изучение герметичности кровли продуктивного пласта и околоскважинного пространства. Решение этой задачи осуществляется методами межскважинной сейсмоакустической томографией, электроразведкой, геохимическими исследованиями и комплексом ГИС. В четвертой главе приведена практическая реализация разработанного комплекса исследований на ПХГ в водоносных пластах России Северо-Западного региона. Заключение содержит основные выводы по результатам исследований.

Обоснование защищаемых положений.

1. Для выбора участка, перспективного под создание ПХГ. свободного от тектонических нарушений и определения основных параметров исследуемой структуры (глубина залегания, мощность водоносного пласта и др.) предложен комплекс исследований, состоящий из космических (дешифрирование космических снимков), аэрогеофизических (линеаментный анализ магнитной, гамма-съемки и гравиразведки) и наземных методов (высокоразрешающая сейсморазведка и высокоточная гравиразведка).

Космическая съемка является одним из экспресс - методов исследования подземного пространства территорий Земли, связанного с изучением геологического и тектонического строения. Для территории РФ следует использовать равноугольную поперечно-цилиндрическую проекцию Гаусса-Крюгера, обеспечивающую на плоскости карт минимальное искажение.

Важным этапом для обнаружения зон тектонических нарушений значительных территорий является дешифрирование данных космических съемок масштаба 1:200 ООО и крупнее. Для проведения работ данного масштаба использовались съемки среднего разрешения со спутников Landsat (США) и КАТЭ-200, имеющие разрешение 15-30 м. При проведении дешифрирования наряду с космическими снимками используются: геологическая карта масштаба 1:200 000, топографическая основа масштабов 1:200 000 и 1:50 000.

Работа с материалами дистанционного зондирования включает два основных этапа: собственно дешифрирование и интерпретацию результатов дешифрирования. При первоначальной (предварительной) обработке материалов космосъемки необходимо получить максимально четкое изображение и определить какой или какие показатели станут определяющими при распознавании объектов.

Обработка многозональных космических изображений исследуемой территории включает в себя контрастирование, фильтрацию, геометрическую и яркостную коррекцию, пространственно-временную привязку многозональных космических изображений.

Дешифрирование космических снимков выполнялось с помощью программных пакетов Adobe Photoshop CS3, CorelDRAW ХЗ, ERDAS Imagine, ArcGis, LESSA.

Структурно-геоморфологический анализ позволяет произвести оконтуривание более крупных участков земной поверхности, различающихся характером тектонической жизни в геоморфологический этап развития изучаемой территории. Оконтуривание больших морфологических структур, выявление закономерностей их размещения и определение их вида выполнялись при сопоставлении схемы геоморфологического дешифрирования с геологическими картами соответствующих масштабов (прилЛ-а).

Использование данных аэрогеофизических методов (магнитная, гамма-съемки, гравитационные измерения) масштабов 1:100 000 и 1:200 000 и наземных методов (высокоразрешающей сейсморазведки MOB ОГТ и высокоточной гравиразведки) масштабов 1:100 000 и 1:50 000 совместно с результатами дешифрирования космических снимков позволяют получить наиболее полную картину развития региона в тектоническом и геологическом отношении, что в свою очередь

помогает выявлять основные структуры, перспективные для хранения углеводородов.

Обработка вышеперечисленных методов основывается на линеаментном анализе волновых полей геофизических методов. В качестве линеаментов на аномальных геофизических полях выделялись зоны линий сгущения изолиний в пределах одноразрядной аномалии, изменение простирания аномалий (рис. 1-6,

в).

Основным результатом дешифрирования стала карта линеаментной тектоники масштаба 1:200 ООО, с указанием на ней линеаментов 1-го и 2-го порядков, выявленные по космическим снимкам, линеаментов, выделенных по аэрогеофизическим методам, региональных глубинных разломов и разрывных нарушений (рис.2).

При проведении комплексного анализа всех методов вначале анализировались данные каждого конкретного метода в отдельности, а затем полученные результаты обобщались, и по ним была построена карта районирования основных тектонических нарушений и участков, перспективных под строительство ПХГ.

Техногенная активизация разломов характеризуется возрастанием напряжения горных пород до определенного значения с последующей резкой разрядкой, что требует постоянного космического зондирования в видимом, инфракрасном, тепловом и радиолокационном диапазонах.

Геодинамически активные разломы представляют собой вертикальные зоны деструкции с ухудшением в них физико-механических параметров.

На рис.2 по результатам линеаментного анализа по комплексу космических, аэрогеофизических (магнитная и гамма-съемка, гравитационные измерения), наземных методов исследований (высокоразрешающая сейсморазведка, высокоточная гравиразведка и др.) выделились зоны тектонических нарушений и отображены перспективные участки для создания новых герметичных ПХГ. Прямоугольниками выделены перспективные зоны для выбора участков горных отводов под создание ПХГ в Северо-Западном регионе России, кружком обозначено Гатчинское ПХГ.

2. Разработан комплекс для установления путей миграции газа из продуктивного пласта ПХГ и выявления зон его возможного

к

AM

i

Условные обозначения: Изолинии силы тяжести в мГал: утолщенные основные нулевые

Условные обозначения: Изолинии аномального магнитного

поля в нТл: _У"\ положительные отрицательные

нулевые

в

И 1 И 2

Рис. 1. Выявление участков, перспективных для создания ПХГ на основе линеаментного анализа космических снимков, аэрогеофизических методов: а - карта гравитационного поля с линеаментным анализом б - карта магнитного поля с линеаментным анализом, в - космоснимок с линеаментным анализом.

1 - зоны линеаментов, разграничивающие поперечные блоки, различающиеся по особенностям морфоструктурного и геологического строения; 2 - прочие линеаменты, соответствующие разломам, зонам трещиноватости.

Ate a act с

Условные обозначения: МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Локальные аномалии ( разность между исходным полем и пересчитанным на высоту 2 км )

( диапазон значений : от 60 до 150 нТл) положительные локальные аномалии

( диапазон значений : от 150 до 1600 нТл) положительные локальные аномалии

ГРАВ1ГГАЦ1ЮШЮЕ ПОЛЕ

Локальные аномалии ( разность между исходным полем и пересчитанным на высота 2 км )

-20.0-5.0 -3.8 -2.5 -1.9 -1.3 -0.5 0.0 1.0 2.5 3.0 5.0 мГл

Структурно-морфологические характеристики геофизических полей

Линеаменты различной протяженности и интенсивности, выделенные по градиентам гравитационного поля

Участки, перспективные под создание ПХГ Действующие ПХГ

Рис.2. Результирующая карта тектонических нарушений и участки, перспективные для создания ПХГ

накопления в вышележащих горизонтах, состоящий из методов электроразведки МПП ЗСБ и межскважинной сейсмоакустической томографии.

Определение местоположения и мощности водоносного продуктивного пласта было предложено проводить методами электроразведки по способу МПП ЗСБ, сейсморазведкой MOB ОГТ. Метод электроразведки позволил расчленить геологический разрез по кажущемуся удельному электрическому сопротивлению, выявить высокоомные и низкоомные горизонты и соответственно выделить водоносные и газонасыщенные горизонты и участки в исследуемом разрезе, а метод сейсморазведки дал точные глубины границ пластов, их мощность, зоны тектонических нарушений и трещиноватости. Глубины кровли и подошвы водонасыщенного пласта надежно определялись по электрическому или акустическому каротажу, выполненному в скважинах ранее.

Выявление нарушения герметичности подземных хранилищ газа (ПХГ) необходимо для проектирования работ по предотвращению и ликвидации его утечек. Методом, способным зафиксировать участки вторичного газонакопления как прямого свидетельства нарушения герметичности кровли продуктивного водоносного пласта ПХГ в условиях наличия многочисленных искусственных проводников (оборудование скважин, трубы, кабели и др.), является геофизический метод наземной импульсной индуктивной электроразведки зондированием становлением электромагнитного поля в ближней зоне (ЗСБ), успешно опробованный на трех ПХГ. Высокая производительность и относительная малозатратность метода МПП ЗСБ делает возможным применение этого метода в мониторинговом режиме. Комплексирование электроразведки методом МПП ЗСБ с другими методами геофизических исследований позволяет уточнять геологический разрез надпродуктивной толщи, что важно для прогнозирования возможности формирования зон вторичного газонакопления (ЗВГ), детализировать полученные результаты и, при благоприятных обстоятельствах, оконтуривать ЗВГ в геологическом разрезе. В ходе работы были опробованы два комплекта электроразведочной аппаратуры - «Импульс - Д» и «Каскад - 2 М». При проведении полевых работ выяснилось, что аппаратура «Каскад -2 М» обладает рядом преимуществ и ее использование при

исследованиях является предпочтительным. По полученным данным был построен геоэлектрический разрез, на котором четко выделился высокоомный горизонт в интервалах глубин 50-100 м, приуроченный к зоне возможного вторичного газонакопления (рис.3),

12 3 4 5 6 7

5

160 140

> : 120 Щ т

<.....!40

t - i 20 li.Jf,

О 50 100 150 ЭТО 2W 300

Дистанция, м

Рис. 3. Определение зон возможного вторичного газонакопления по результатам электроразведки МПП ЗСБ.

Методика и технология проведения перекрестных сейсмотомографических исследований заключается в возбуждении упругих колебаний в одной скважине и приеме их в другой, а затем смене возбуждающей и приемной скважин, отраженный в следующей зависимости:

Р, = у пг f2R2h РХ р .

vs2(pv^ + p()v02) 2

В качестве излучателя упругих колебаний при перекрестном методе скважинных измерений используется электрогидравлический источник с взрывающей проволокой (плазменно-импульсная

технология), с энергией 1-2 кДж и частотным спектром 0,1 Гц -10 кГц (аппаратура ИСС2/3.2) с многозондовой (до 20 приборов) высокочувствительной (0,1-1 мкВ) трехкомпонентной (X-Y-Z) приемной цифровой регистрацией до 2-4 кГц с прижимными устройствами с силой прижима в 5-7 раз превышающей вес прибора. Дальность просвечивания - до 300-400 м, разрешающая способность -0,4-0,5 м. Для выбора шага съемки использовалось соотношение:

0.2 < li/Л-р < 1.5,

где h - мощность слоя, Хр- длина волны.

Как показывают многочисленные исследования, скорость распространения упругих колебаний в горных породах существенно зависит от их минерального состава, пористости, трещиноватости и от свойств флюида, заполняющего поры и трещины. Относительно резкое отличие значений скорости продольной волны Vp наблюдается в породах, поры которых заполнены газонасыщенным флюидом. Даже при небольшом количестве (около 5%) газа в порах породы упругие свойства флюида определяются высокой сжимаемостью газа, что приводит к уменьшению значений Vp в газонасыщенных участках пород.

Наибольшее различие Vp (15-30%) достигает в терригенных и крупнообломочных породах, залегающих на небольших глубинах. В трещиноватых и кавернозных карбонатных породах зависимость значений Vp от газонасыщенности несколько ниже.

Таким образом, газонасыщенность пород в изучаемом массиве пород проявляется как по кинематическим признакам (уменьшению значений Vp) на томографических разрезах, так и по динамическим свойствам (поглощении энергии и высокочастотных составляющих сейсмического сигнала) волновых полей сейсмоакустического просвечивания (рис.4).

Эти зоны отличаются пониженными скоростями распространения Vp, меньшими амплитудами принимаемых сигналов, что свидетельствует о появившихся нарушениях сплошности кровли продуктивного пласта.

По результатам интерпретации данных можно судить не только о герметичности кровли продуктивного пласта ПХГ, но и оценить степень и направление газопроявлений по разрезу.

Внедрение метода межскважинной сейсмоакустической томографии в режиме мониторинга на ПХГ позволяет оцёнить состояние кровли пласта-коллектора и определить участки газонакоплений, образовавшиеся в результате миграции газа из продуктивного пласта в вышележащие горизонты. Высокая разрешающая способность данного метода позволяет решать задачу, связанную с определением газонасыщенных зон. На томографическом разрезе четко выделяются области пониженных скоростей, приуроченные к ослабленным зонам горных пород, представляющие собой породы, поровое пространство которых заполнено газом.

о . ко 160 . 240..

320 .. 400 ..

S

«Г 480-PC

f 560. 640 -720800. ХКО

960 -1040 I 12(1

JI итологи ческая колонка

Четиергнчиые отложении Воронежские отложения

«ян

.0 -80 -.160 -240 -320 . 400 -480 ■ 560 -640 .720 800 • 880

-<>60 ... 1040

С ем илу кс к не - с аргаевс ки е отложения

Шпсмтойск! »с отложения

Староо с «сол ьс к и е отложемия

Пярнусско-иаровские отложения Средний ордовик отложения Ижорские песчаники

1 отложения

Ижорские песчаники

2 отложения

Лямииарнтовые отложения Гдопскне отложения

Кристаллически и {фундамент

Рис. 4. выявления

-) 120

О 50 100 ISO 200 250 300 340 Дистанция, м

Результаты применения сейсмоакустической томографии для зон повышенного газонасыщекия.

3. Предложена методика мониторинга ПХГ с использованием геофизических методов исследования скважин (радиоактивные, акустические, гидродинамические, электромагнитные методы каротажа, термометрия и др.) и геохимических методов (подповерхностная и атмосферная съемки, опробование флюидов

и геоэлектрохимия) для контроля режима эксплуатации ПХГ и прогнозирование аварийных ситуаций.

Контроль за строительством, проводкой скважин, ввода ПХГ в эксплуатацию, длительной работой при циклических закачках и отборе газа (когда давление закачиваемого газа в 1,05 - 1,5 раза больше пластового) при сохранении герметичности самого хранилища необходим на любой стадии эксплуатации. Контроль осуществляется с помощью комплекса геофизических, геохимических и гидродинамических исследований скважин, включающих методы инклинометрии, термометрии и методы изучения околоскважинного пространства (акустические методы, радиоактивные методы).

Особенностью выполнения геофизических исследований скважин на действующих ПХГ по определению газонасыщенности продуктивного пласта и положения газо-водяного контакта при закачках и отборах газа проводятся без остановки режимов работы и без извлечения насосно-компрессорных труб (НКТ).

Эти условия требуют применения малогабаритной аппаратуры диаметром 42 мм для спуска ее через НКТ.

Разработанный комплекс совместного использования радиоактивных методов, плотностного сканирующего каротажа и широкополосного акустического каротажа с регистрацией полной волновой картины, включая регистрацию продольных, поперечных волн, волн Стоунли и Лэмба обеспечил повышение требований к контролю качества цементирования обсадных колонн.

Обнаружение перетоков газа из-за некачественного цементирования многоколонных конструкций во внутритрубном и затрубном пространстве предложено решать комплексом методов ГГК+АКШ, а образование газонаполненных каверн методом временных замеров естественной радиоактивности цементирующих составов до и после обсадки колонн, высокочувствительной термометрией (разрешение по температуре 0,001 °С) и спектрального акустического шумомера.

Непременным условием надежной работы скважинного оборудования является контроль состояния колонн (выдержанность толщины труб, их целостность, отсутствие вмятин, определение мест

коррозии, дефектов от воздействия агрессивных составов, абразивного износа песчаными частицами при откачке газа).

По результатам теоретических и модельных исследований, выполненных с участием автора, установлено, что метод магнитоимпульсной дефектоскопии позволяет исследовать всю колонну труб одновременно, выявлять участки их коррозийного износа площадью более 120 мм", трещины и локальные дефекты, определять толщину каждой колонны с точностью до 0,5 мм.

Разработанные магнитоимпульсные дефектоскопы МИД-К позволили обнаруживать, образовавшиеся в результате коррозии поперечные и продольные дефекты, отверстия в трубах протяженностью 10 мм и диаметром более 12 мм.

Исследование околоскважинного пространства с целью выявления зон повышенной кавернозности и определения заполнителя этих каверн играет огромную роль при контроле за герметичностью хранилища и недопущению миграции газа вверх по разрезу. Использование нейтронных методов каротажа (ННК, ИННК, СНГК) позволяет оценить состояние околоскважинного пространства через колонну обсадных колонн и НКТ, выявить газонаполненные и водонаполненные зоны в околоскважинном и межтрубном пространстве, определить возможности миграции газа вверх по разрезу из продуктивного пласта-коллектора по затрубному пространству скважин различного назначения (рис.5).

Важным условием оценки экологической обстановки участка горного отвода является охрана окружающей среды: источников питьевого водоснабжения, прилегающих к ПХГ населенных пунктов, отсутствие в почвах и атмосфере углеводородных газов, их вредных продуктов, радона, углекислого газа, метанола и др. Постоянный контроль в мониторинговом режиме предусматривает подпочвенную газовую съемку и газовую съемку приповерхностного воздуха.

Геохимическая съемка, проводимая на ПХГ, позволяет определить участки загазованности верхних слоев почвы и сделать предположения о нарушении герметичности хранилища и локализовать зону газонасыщения с целью последующей ее ликвидации специальными герметизирующими растворами или путем отбора газа из специально пробуренных наклонно-направленных скважин в систему общего сбора.

Рис. 5. Выделение каверн и оценка заполнения заколонного пространства цементом по комплексу нейтронных методов

Наземное оборудование любой станции подземного хранения газа также как и само хранилище требует особого внимания к его состоянию. Поэтому контроль технического состояния шлейфов, осуществляемый методами электроразведки и геоэлектрохимии, также необходим при общей оценке состояния хранилища. На основе данных измерений можно сделать выводы об предполагаемых участках повышенной коррозии трубопровода и при необходимости принять меры по их ремонту.

В таблице представлена общая система проведения геофизических и геохимических методов исследований, разработанная в процессе выполнения работ.

J

Таблица

Комплекс методов мониторинга ПХГ в водоносных пластах на основе геофизических и геохимических методов_

Тип исследования Методы исследования

Космическая съемка Дешифрирование космических снимков, фильтрация снимков, линеаментный анализ, лидарная съемка

Аэрогеофизичес кие методы Магнитная съемка, гамма-съемка, гравиразведка, электроразведка, линеаментный анализ

Наземные методы Сейсморазведка, электроразведка, гравиразведка, геохимическая съемка, геоэлектрохимия, георадарная съемка

Скважинные методы Электрический каротаж, акустический каротаж, радиоактивный каротаж (ГК, ГГК, ННК, ИННК, СНГК), гидродинамические исследования, геохимические методы, дефектоскопия, бурение наклонно-направленных скважин, отбор проб горных пород (СКО) и пластовых флюидов (ОПК), термометрия, шумометрия

Межскважинные методы Сейсмоакустическое межскважинное просвечивание

Таким образом, разработанная технология обеспечивает контроль износа скважинного оборудования, режим работы пласта и при обнаружении нештатных ситуаций могут быть приняты меры по ремонту и восстановлению нормальных режимов эксплуатации скважин или остановки их на капитальный ремонт. При невозможности ремонта - их ликвидации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований представляют законченную научно-квалификационную работу, в которой решена крупная научная проблема - обоснован и разработан комплекс геофизических и геохимических методов при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных хранилищ газа в водоносных пластах, что имеет важное практическое значение для обеспечения безопасной промышленной и экологической эксплуатации подземных хранилищ газа и прогнозирования аварийных (нештатных) ситуаций.

Анализ результатов позволяет заключить следующее:

использование материалов космической съемки, аэрогеофизических методов (магнитная и гамма-съемки, гравиметрические измерения), высокоразрешающей сейсморазведки и высокоточной гравиразведки, анализа геологической, геофизической, атмо-лито-геохимической и данных тектонической обстановки горного массива позволил выделить перспективные под создание ПХГ в водоносных пластах территорий;

- разработан комплекс ядерно-физических, акустических и электромагнитных и других методов исследований скважин ПХГ в водоносных пластах для контроля режимов работы эксплуатационных, наблюдательных, пьезометрических, геофизических, нагнетательных, поглотительных и разгрузочных скважин и их технического состояния при циклических закачках и отборах газа;

- предложен комплекс методов выявления зон повышенного газосодержания в контрольных пластах и причины возможной миграции газа в вышележащие отложения;

- контроль состава газа, пластового флюида, геохимические поверхностные измерения и контроль концентрации углеводородов и других газов в атмосфере в зоне действия хранилища обеспечивают экологическую чистоту окружающей среды.

Разработанная технология рекомендуется для выбора участков горного отвода при строительстве ПХГ в различных геолого-технических условиях, в т.ч. вдоль трасс магистрального газопровода «Северный поток» и др., выбора мест перехода газопроводов и нефтепроводов через тектонические нарушения, строительства технически сложных подземных и наземных сооружений.

Наиболее значимые публикации по теме диссертации:

1. Познякова (Данштьева) Н.А. Межскважинная сейсмическая томография при инженерно-геофизических изысканиях. //Материалы VII международной научно-практической молодежной конференции «Геофизика-2009». СПб, 2009 г. Электронное издание. Объем статьи -5 страниц.

2. Познякова (Данильева) Н.А. Определение зон возможного вторичного газо-и водопроявления методом переходных процессов

становлением поля в ближней зоне на подземных хранилищах газа Северо-Западного региона. //Материалы П-ой международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского. СПб, 2011 г. с. - 84-87.

3. Познякова (Данильева) Н.А. Выявление зон возможной утечки газа из пласта-коллектора методом межскважинной сейсмической томографии. // Записки Горного Института, том 189, СПб. 2011 г. с. -62-65.

4. Познякова (Данильева) Н.А. Изучение каверн прискважинной зоны газоносных пластов. // Записки Горного Института, том 189, СПб. 2011 г. с.-65-68.

5. Данильева Н.А., Применение спектрометрического нейтронного гамма-каротажа для контроля технического состояния скважин подземного хранилища газа /В.Н. Даниленко, А.И. Лысенков, А.В. Кондратов, Л.К. Борисова, В.И. Борисов, Я.С. Гайфуллин, Р.А. Шайхутдинова, Н.А. Данильева // Каротажник, вып. 4 (202). Тверь. 2011 г. с.-4-12.

6. Данильева Н.А. Опыт промышленного опробования аппаратуры спектрометрического каротажа в Китае. /В.Н. Даниленко, А.И. Лысенков, А.В. Кондратов, Л.К. Борисова, В.И. Борисов, Я.С. Гайфуллин, Р.А. Шайхутдинова, Н.А. Данильева // Каротажник, вып. 5 (203). Тверь. 2011 г. с. - 5-13.

7. Данильева Н.А. Выбор подземного пространства для создания экологически безопасных в эксплуатации хранилищ газ по комплексу аэрокосмических, геофизических и геохимических методов. // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. Москва, вып. 5, 2011 г. с. - 24-27.

РИЦ СПГГУ. 18.05.2011. 3.273 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Данильева, Наталья Андреевна

Введение .:V.!.

Актуальность работы.

Глава ,1. Подземные хранилища газа. Основные цели, задачи и проблемныё вопросы создания и эксплуатации ПХГ.

1.1. Тины ГОСТ.

1.2. Проблемы, возникающие при проектировании и строительстве подземных хранилищ газа. Г.Зу Г Су ществующие методы поиска геологических структур, перспективных для пЬдземного хранения газа.

Выводы к главе 1.:.

Глава 2. Особенности геологического и гидрогеологического строения ПХГ, .создаваемых в водоносных пластах.

2.1. Обоснование комплекса геофизических методов исследований для выбора местоположения ПХГ, созданных в водоносных пластах.

2.2. Создание подземных хранилищ газа в водоносных пластахОшибка! За

2.2.1. Проводка скважин на ПХГ.

2.3; Выявление зон тектонических нарушений геофизическими методами.

2.3.1. Выявление зон тектонических нарушений по результатам дешифрирования космических снимков.

2.2.2., Выявление зон глубинных разломов по данным аэро геофизических (магниторазведка, гамма-съемка, гравиразведка) исследований, вйсокоразрешающей сейсморазведки и высокоточной гравиразведки.:.

2.3. Определение положения и мощности продуктивного пласта.

2;3.1. Метод высокоразрешающей сейсморазведки.

2.3.2. Метод электроразведки МПП ЗСБ. \ 2.4. Выбор мест заложения скважин на ПХГ.

Вьшоды к главе^2.

Глава 3. Внедрение новых геофизических и геохимических технологий при строительстве и длительной экологически безопасной эксплуатации ПХГ в водоносных пластах.

3.1. Геофизический контроль за проводкой и техническим состоянием скважин^изучение пласта-коллектора, околоскважинного пространства и вмещающих пород.

3.1.1. Методы контроля технического состояния скважин. ; 3 .1;2: KpнтpoJIь качества цементирования скважин ПХГ.

• 3.2. Выявление; каверн и зон скопления газа в заколонном и межколонном пространстве.

3.2.1. Моделирование каверн прискважинной зоны. 3.3, Контроль герметичности кровли продуктивного пласта методом межскважйннои сейсмоакустической томографии и электроразведкой

МГП13СБ.

3.4. Контроль миграции углевоводородов в подпочвенное пространство и на поверхность в атмосферу геохимическими методами исследования^. . 3;5. Геоэкологический контроль за эксплуатацией ПХГ.

3-46.^Кошро^с6Ът6яния'-''шлейфов ПХГ.

3.7. Разгрузка наклонно-направленными скважинами, при необходимости тампонаж опасной зоны. " ; • Вьтоды юглаве 3.

Глава 4. Результаты опробования технологии, обеспечивающей эффективную безопасную эксплуатацию ПХГ (на примере ПХГ СевероЗападного Региона). ::^очерк Северо-Западного региона. у : ;:С^;4.2. Геологическое строение, тектоника Северо-Западного региона.

43. Контроль герметичности скважин ПХГ.

4.3.1. Контроль качества цементирования.

4.3.2. Выделение каверн прискважинной зоны и перетоков газа по скважине методами ГИС.

4.3.2. Выявление дефектов НКТ и обсадных колонн.

4.4. Выявление зон вторичного газопроявления по данным метода сейсмоакустической межскважинной томографии и электроразведки МПП ЗСБ.

4.5. Геохимический и геоэкологический контроль за эксплуатацией ПХГ.

Выводы к главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Комплекс геофизических и геохимических методов исследований при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных хранилищ газа в водоносных пластах"

Актуальность работы.

Начало созданий подземных хранилищ газа (ПХГ) в СССР было положено в 1958 году, когда были введены в эксплуатацию мелкие выработанные залежи истощенных нефтяных месторождений Самарской области; Первы созданным в водоносном пласте, стало

Калужское. В 1959 году начата опытно-промышленная закачка газа в водоносныйпласт., представленный песчаниками гдовского горизонта, не содержащий углеводородов [112]. Подземные газохранилища в Единой системе газоснабжения России имеют многоцелевое назначение. Помимо основной задачи - регулирования сезонной неравномерности газопотребления - они выполняют и другие функции:

- создание долгосрочных (не распределяемых) резервов газа на случай непредвиденных экстремальных ситуаций и (или) аварийных ситуаций в системе газоснабжения (месторождение-газопровод-потребитель);

- дополнительная подача газа потребителям в случае экстремальных похолоданий, как в отдельные дни, для чего создана система так называемых пиковых подземных хранилищ газа, так и в случае аномально холодных зим, 11утем создания соответствующих дополнительных резервов газа;

- обеспечение надежности экспортных поставок;

Созданная в России система хранилищ позволяет обеспечить: 20% суточного потребления российских потребителей газа [77, 98].

ПоШ работы ПХГ в настоящее время требует соответствия современному высокотехнологичному оборудованию. Многие ПХГ были обустроены, еще 30-40 лет назад. Основной регламентирующий документ № 57 (Хранилища природных газов подземные. Правила мониторинга при создании и эксплуатации, Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 5239-2008) был, введен ,в: действие 01.01.201 Ог, однако, и он не удовлетворяет всем требования^ безопасной эксплуатации ПХГ.

Минимизация.:., экологически ущерба от эксплуатации ПХГ и экономического ущерба от ликвидации последствий возможных аварийных ситуаций могут быть достигнуты только при постоянном мониторинге режима работы ;.Д основе данных геофизических, геологических, гидрогеологических;;;.^.; атмо-лито-геохимических исследований; систематического аншшза надёжности работы наземного, включая газопроводы (шлейфы), и подземного скважинного оборудования, работы продуктивного пласта, и .его прискважинной зоны, состояния вышележащих и нижележащих пластов горного каждого конкретного хранилища с его геологотехиологическими особенностями.

Для дальнейшего развития подземного хранения газа в РФ необходимо внедрение инновационных технологий, которые могут быть использованы как при для ;пррёктировании новых ПХГ, так и для продления срока безопасной эксплуатации существующих подземных хранилищ газа.

В зависимости от типа геологического пространства использованного под ПХГ: в водонасыщенных пластах; выработанной газовой или газоконденсатной залежи; отработанного нефтяного пласта; вымытого пространства.в со - комплекс методов и регламент их использования может изменяться по технологий, методике контроля параметров ПХГ (режима его работы, состояния оборудования и др.), при этом обеспечивая экологическую и промышленную безопасность при долговременной эксплуатации ПХГ [77]. 3 ; ^ связи выбор места заложения газохранилища должен предусматривать ■ V полный объем геологической, геофизической и геохимической информации о подземном пространстве начиная от космической и аэро-фотографической, магнитной и гамма-съемок, высокоразрешающей сейсморазведки и гравиразведки, бурения скважин с отбором керна и его исследованием;!: полного комплекса геофизических и гидродинамических исследовании скважин, изучения межскважинного пространства и построения геолого-гсофизической модели.

При недостаточной. геологической ^ изученности выбранного пространства, нарушении технологического режима бурения скважин, недостатках эксплуатационного обустройства это может привести к разгерметизаций хранилища, и значительным утечкам газа, прорывающегося в вышележащие отложения вплоть до выхода на дневную- поверхность, что может создать опасную ? экологическую обстановку. Особенно этот фактор следует учитывать при расположении ПХГ вблизи тектонических нарушений и разломов.

Целью, исследования является разработка и внедрение комплекса геофизических и геохимических методов исследований при проектировании, строительстве и длительной эксплуатации промышленно и экологически безопасных хранилищ газа в водоносных пластах и его практическая реализация на Г1ХГ Северо-Западного региона.

Основные задачи и методы исследований. Для достижения поставленной цели бьщи рещены следующие задачи:

- сбор, изучение, систематизация, обобщение и анализ различных методов (геофизических, гидрогеологических, атмо-лито-геохимических, петрюфизичееких и др.) для решения поставленных задач; разработка.-критериев оценки состояния объектов, обеспечивающих надежную безопасную эксплуатацию ПХГ;

- анализ информативности космических, аэрогеофизических, наземных, скважинных;и межскважинных методов и комплекса методов для решения геологических и экологических задач;

- теоретически^ исследования и математическое моделирование геофизических полей подземного пространства, территорий горных отводов под ПХГ; - моделирование разрешающих возможностей методов и аппаратуры контроля режима работы объектов, возможных нештатных ситуаций с целью их прогнозирования й при необходимости ликвидации;

- разработка алгоритмов и выбор обрабатывающих программ интерпретации данных измерений с углом влияния искажающих факторов и внесе] 1ия поправок.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. На основе линеамёнтного анализа данных космической съемки, аэрогеофизических исследований (магнитная и гамма-съемка, гравитационные измерения) .наземных методов (высокоразрешающая сейсморазведка, вьюокотб^ная: гравиразведка), скважинных методов (В СП, комплекс ГИС) предложена физико-геологическая модель подземного пространства, позволяющая выбрать перспективные участки под создание ПХГ, свободные от тектонических нарушений. 2. Разработан комплекс ядерно-физических, акустических и электромагнитных методов исследований скважин ПХГ в водоносных пластах с целью определения фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта (дебит скважин, состав флюидов, рабочие интервалы отбора закачанного и отобранного газа) и режима работы технологических, контрольных, геофизических других скважин (заколонные перетоки, дефекты эксплуатационных; колонн, НКТ) и износа скважинного оборудования при циклических закачках й отборах газа.

Достоверность научных положений определяется достаточным объемом1 .экспериментальных и модельных исследований, а также высоким техническим: уровнем применяемой аппаратуры и црограммных пакетов обработки и интерпретации данных, высокой сходимостью модельных расчетов и результатов реальных исследований.

Практическая значимость работы. Комплекс методов электроразведки 1\ШП ЗСБ и межскважинной сейсмоакустической томографии позволил выявить ослабленные трещиноватые зоны в горном массиве, >, обусловленные циклической работой ПХГ и уточнить геологический разрез по электрическим свойствам, выделить газонасыщенные и водонасыщенные зоны.

Разработан комплекс геофизических и геохимических исследований, позволяющий обеспечить оптимальный выбор мест заложения хранилищ газа, полный контроль за эксплуатацией подземного хранилища газа в режиме мониторинга, обеспечивая безопасность экологической обстановки района работ.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации автором в период 2008-2011 гг. было опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 в перечне ВАК, результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на международной молодежной научно-практической конференции «Геофизика -2009» и на II - ой международной научно -практической конференции молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского, конференции «СЕВЕРОГЕОТЕХ-2011».

Фактический материал и личный вклад автора. В настоящей диссертационной работе использовались результаты полевых, научно-исследовательских и опытно-методических работ, выполненные сотрудниками Ленинградского УПХГ ООО «Газпром ПХГ», ПФ «Мосгазгеофизика» ООО «Георесурс», ОАО НПП «ВНИИГИС», ОАО «ГИТАС». Автор принимал непосредственное участие в проведении этих работ и интерпретации полученных результатов.

Основной объем работ выполнялся в 2008-2010 годах. Исходными материалами ■ для написания диссертации стали результаты ежегодных геофизических и промысловых исследований по контролю за эксплуатацией ПХГ, выполненных на Гатчинском и Невском ПХГ, модельные работы скважинных исследований, выполненные сотрудниками в ОАО НПП «ВНИИГИС» совместно с автором, а также модельные работы для метода межскважинной сейсмической томографии, выполненные лично автором.

Совместно с сотрудниками ОАО Hi ill «ВНИИГИС» были проведены модельные исследования на имитационной скважине по обнаружению каверн в прискважинной зоне, оценке их размеров по данным нейтронных методов исследований.

Автором диссертации было предложено использование результатов дешифрирования космических снимков и методов аэрогеофизических исследований для выявления структур, перспективных для подземного хранения газа на основе линеаментного анализа геоморфологических характеристик космических снимков и изучения карт аномальных геофизических полей (аэромагниторазведка, аэрогравиразведка, радиоактивная съемка), а также результатов моделирования, проведенного с целью определения возможностей различных геофизических методов решать поставленные задачи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. Общий объем 181 страницы, в том числе 48 рисунков, 10 таблиц. Библиографический список включает 112 наименований.

Работа выполнена на кафедре ГФХМР в период 2008-2011 гг. в Санкт-Петербургском Государственном Горном Институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) под научным руководством профессора кафедры геофизических и геохимических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Анатолия Александровича Молчанова.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю проф. A.A. Молчанову за возможность написания работы и помощь в ее создании, зам. по геологии «Ленинградского» УПХГ к.г.-м.н. A.B. Чугуцову за консультации по теме диссертации, а также сотрудникам ПФ «Мосгазгеофизика» ООО «Георесурс» нач.департамента по геофизическому контролю за ПХГ Малёву А.Н., ОАО НЛП «ВНИИГИС» к.г.-м.н. А.И. Лысенкову, к.т.н. О. Рыскаль, А.Г. Болгарову, ООО НПЦ «Геомир» к.т.н., доценту Д.Н. Дмитриеву, ОАО «ГИТАС» к.т.н. В.Н, Даниленко, ООО

BH№ff ДЗ» д.г.-м.н. профессору В.Г. Фоменко, заместителю ген.директора по геологиигеологу ООО «Газпром ПХГ» к.т.н. А.П. Зубареву и сотрудникам , кафедрьг • ГФХМР: заведующему кафедрой профессору A.C. Егорову, профессорам ОФ. Путикову, А.Н. Телегину за помощь и поддержку в подготовке диссертационной работы. XliepjBpe защищаемое положение. Предложенный, /: . комплекс методов, состоящий из космических (дешифрирование космических снимков), аэрогеофизических (линеаментный анализ магнитной, гамма-съемки и гравиразведки) и наземных методов (высокрразрешающая сейсморазведка и высокоточная гравиразведка), обеспечивает выбор участка, свободного от тектонических нарушений, перспективного подf создание ПХГ и определить основные параметры исследуемой структуры (глубина залегания, мощность водоносного пласта и ДР-).

Второе защищаемое положение.

Разработанный комплекс, состоящий из методов электроразведки МПП ЗСБ и межскважинной; сейсмоакустической томографии, позволяет устанавливать пути миграции газа из продуктивного пласта ПХГ и выявлять зоны его возможного накопления в вышележащих горизонтах.

Третье-защищаемое положение.

Мониторинг й : с использованием геофизических методов исследования скважин (радиоактивные, акустические, гидродинамические, электромагнитные методы каротажа, термометрия и др.) и геохимических методов^ и атмосферная съемки, опробование флюидов и геоэлектрохимия) обеспечивает контроль режима эксплуатации ПХГ и прогнозирование аварййньтх ситуаций.

Глава; 1. Подземные хранилища газа. Основные цели, задачи и ! проблемные вопросы создания и эксплуатации ПХГ.

1.1. Типы ПХГ Подземные хранилища газа (ПХГ) являются неотъемлемой частью Единой системы газоснабжения России и располагаются в основных районах потребления газа. • Использование ПХГ позволяет регулировать сезонную неравномерность потребления газа, снижать пиковые нагрузки в Единой системе газоснабжения, обеспечивать гибкость и надежность поставок газа. Сеть 1ТХГ Обеспечивает в отопительный период до 20% поставок газа российским потребителям, а в дни резких похолоданий эта величина достигает 30% [7,22].

В России ПХГ сооружаются в водоносных структурах, в истощенных месторождениях и солевых кавернах. На территории Российской Федерации расположены ,25 ; подземных хранилища газа с максимальной суточной производительностью. 2008-2009 до 620 млн. куб.м и товарным объемом газа 64 млрд. кубометров [56].

Для создания подземного хранилища газа в водоносных структурах необходимо выполнение следующих условий [22, 77, 78]:

-. амплйтуда .структуры должна обеспечивать хранение достаточного объема газа в пласте-и исключать выход газа за пределы ловушки;

- в структуре предпочтительно должны отсутствовать тектонические нарушения (разломы, трещины и прочее), так они могут стать дополнительным источником йиррации газа из продуктивного пласта. ^ - протяженность,; и мощность пласта-коллектора должна обеспечивать хранение необходимого количества газа;

- проницаемость пласта должна быть, как правило, около 1-2 Дарси;

-продуктивный пласт должен быть выдержан в зоне поиска и разведки структуры.

На рисунке 1.1 представлена принципиальная схема подземного хранилища, создаваемого в водоносных пластах.

Рис. 1.1 Принципиальная схема ПХГ, созданного в пористых водоносных структурах.

Оценка геологических условий создания подземных газохранилищ в пористых пластах заключается в нахождении в приемлемых экономических г условиях объекта пласта с высокими фильтрационными и емкостными свойствами, залегающего в благоприятном для хранения газа интервале глубин (500 - 2000 м), приуроченного к ловушке, способной принять, сохранять необходимое время и, по мере надобности, отдавать закачанный газ.

Исходными данными для проектирования ПХГ являются:

- результаты полевых геофизических работ, данные глубокого разведочного бурения, промыслово-геофизических, гидрогеологических, геохимических и гидродинамических исследований;

- литолого-стратиграфическая характеристика разреза в пределах разведочной- цлощади;

- тектоническое строение площади и характеристика структурной ловушки; геолого-геофизическая характеристика всех водонысыщенных коллекторов, которые могут быть использованы как под ПХГ, так и в качестве контрольных горизонтов, а также под закачку промстоков;

- литолого-геофизическая характеристика покрышек и плотных пород, расположенных над коллекторами;

- техническое состояние фонда всех пробуренных скважин, включая ликвидированные и их конструкции;

- емкостные и фильтрационные характеристики объектов закачки газа;

- потенциальные поглощающие горизонты для захоронения промстоков и др.

В качестве объекта для создания подземного хранилища газа в пористых пластах могут использоваться ловушки антиклинального, выклинивающегося или др. типов, размеры которых должны удовлетворять требованиям подземного хранения газа: перспективная площадь структуры должна быть не менее 8 км2, а мощность продуктивного пласта около 20 м [77].

В России насчитывается 17 ПХГ в истощенных месторождениях газа. Первым таким хранилищем стали мелкие отработанные месторождения газа в Самарской области в 1958 году. Тогда же началась закачка в Елшанское и Аманакское месторождениях газа. Позже, в 1979 году было создано крупнейшее в мире Северо-Ставропольское хранилище в истощенном месторождении газа.

Структуры подземных хранилища газа, создаваемых в истощенных месторождениях углеводородов, разведаны и не требуют серьезных исследований. Однако скважины, пробуренные ранее на площади, могут требовать капитального ремонта или полной ликвидации. Также может возникнуть необходимость в бурении новых скважин. . гК; настоящему моменту строятся 3 хранилища в соляных куполах на территории^^Еб^рии. Это - Калининградское, Волгоградское и Березняковское.

Для возведенижШдёжного хранилища газа соляная толща должна быть достаточно мощной (более 50 м) и иметь глубину залегания в диапазоне 300 -1700 м. В зависимости от физико-механических показателей пород горного массива решается вопрос о способе возведения хранилища и его объема. Такие хранилища позволяю^^хранить достаточно большие объемы газа, потери газа при отборе — минимальны; Эти хранилища создаются, в основном, для удовлетворения пикового потребления газа, так как ввиду своей уникальной структуры позволяют многократно в течение одного года закачивать и отбирать газ из резервуара (до 20 раз). Усиливающийся^.спрос на газ, близость крупных мегаполисов-потребителей, химических заводов требует возведения хранилищ газа. Однако не всегда геолого-технические характеристики среды позволяют создавать хранил щца в • пористых пластах и кавернах солей. Поэтому появляются новые типы хранилищ газа. К. ним можно отнести хранилища в шахтах (Бургграф-Бернсдорф, Лейден),- пёщерах, в кавернах горных пород (Скаллен) - все это хранилища подземного типа.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Данильева, Наталья Андреевна

Выводы к главе 4.

Результаты исследований по разработке технологии геофизических, геохимических и других исследований при проектировании, строительстве и эксплуатациибезопасных подземных хранилищ газа в водоносных пластах, описанные в 1, 2, 3 .главах; были опробованы на ПХГ Северо-запада России.

1. Показано,'^ что; для выбора участка горного, отвода, перспективного для строительства подземного хранилища, газа в водоносных пластах, отвечающего. требованиям герметичности горного массива, обладающего достаточной: протяженностью 5-10 км и мощностью водоносного горизонта 1050 м, сложенного --терригенными отложениями пористостью 20-25%, и высокопроницаемыми породами 1-2 Дарси необходимо на стадии поисково-разведочных работ, включающих дешифрирование космических снимков территории); ;;:;Улредполагаемой для выбора участка, проведения аэр0герфизйческих:измере1шй (магнитной и гамма - съемки масштабов 1:200 000), наземной высокоразрешающей сейсморазведки (MOB OFT 2D 1:100 000) и высокоточной гравиразведки масштабов 1:50 000.,

2. Разработанный комплекс бурения и исследований скважин различного Назначения в открытом стволе и при вводе в эксплуатацию ПХГ в водоносных горизонта^:; обеспечивает контроль режима работы продуктивной залежи, технического состояния скважинного оборудования межскважинного пространства, исключающий утечку углеводородов в вышележащие горизонты и. его ; растекания по латерали, создание экологически опасных ситуаций, прстунлешёсеуглеэодородов в водоносные пласты с питьевой водой, в подпочвенное:пространствоУй вь1ход газа на поверхность

Приводятся примеры использования комплекса геофизических и геохимических .методов для конкретных подземных хранилищ газа Северо-запада 1^ссйи^ ¿'^V

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная автЬром технология может быть использована для проектирования новых ПХГ, контроля за их эксплуатацией и продления срока эксплуатации существующих подземных хранилищ. Мониторинг безопасной эксплуатации ПХГ предусматривает: геохимЦяёск>то съемку и геоэлектрохимическую съемки; электроразведку и сейсмоакустическую томографию для выявления зон скопления техногенного газа в верхней части разреза, пластах-коллекторах и. межскважинном пространстве; выделение зон. скопления газа, их расположения в межколонном и заколонном пространстве прйскважинной зоны (при измерениях через насосно-компрессорные трубы (НКТ);

- оценку состояния обсадных колонн, НКТ и цементного камня через вьывлёниё каверн д прискважинной зоне, оценку объемов каверн;: контроль состояния технологических трубопроводов (шлейфов). Определена методика проведения комплекса наземных полевых и скважинн]^ ^ ; . . , ч:^:л;Установдёйо^.::Что привлекая данные космических съемок и аэрогеофизических. методов можно сократить время и объем дополнительных исследований для выявления участков под будущие ПХГ.

Цикличная, работа подземных газохранилищ приводит к возникновению трещин ^^^ялшке пласта-коллектора, что в свою очередь приводит к неконтролируемым . утечкам газа из ловушки, его миграции в вышележащие горизонты и растекания по латерали, аккумуляции в вышележащих горизонтах. Выявление этих трещин в процессе мониторинга было предложено осуществлять;методом межскважинной сейсмоакустической томографией.

Разработанная и внедренная аппаратура ИСС 2/3.2 и АМЦ-ВСП 3-48 для межскважинного сейсмоакустического просвечивания позволяет возбуждать и регистрировать всю волновую картину в широком диапазоне частот, что увеличивает информативность данного метода.

Контроль герметичности скважин было предложено осуществлять нейтронными методами каротажа по результатам моделирования каверн и опробования этих методов в реальных условиях. Такжеопределять герметичность скважины предложено методом магнитоимпульсной дефектоскопии, которая позволяет исследовать все колонны скважины одновременно й без ее глушения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Данильева, Наталья Андреевна, Санкт-Петербург

1. Авербух А.Г. Изучение состава и свойств горных пород при сейсморазведке -М.: Недра, 1982. 232 с.2. 1 Аковецкий В.Н. Дешифрирование снимков. М.: Недра. 1983.- 374 с.

2. Арбузова Ф.Ф., Алиев P.A., Новоселов В.Ф., Тутунов П.И., Несговоров A.M. Техника и технология транспорта и хранения нефти и газа. Учеб. пособие для ВУЗОв. М.: Недра, 1992. 320 с.

3. Берман Л.Б., Нейман B.C. Исследование газовых месторождений и подземных хранилищ газа методами промысловой геофизики. М.: Недра, 1972. -216 с.

4. Био М.А. Механика деформирования и распространения акустических волн в пористой среде. В кн. Механика. Сб. перев. и рефер. иностр. период, лит-ры. М;: Наука. 1963. № 6. - 103-135 с.- V

5. Блюменцев A.M. и др. Метрологическое обеспечение геофизических исследований скважин, Москва.: Недра, 1991. 266 с.

6. Бобровский С.А., Яковлев Е.И. Газовые сети и газохранилища. М.: Недра. 1980 г.

7. Бузинов СИ. и др. Исследование нефтяных и газовых скважин. М.: ,Недра, 1984.-269 с.г

8. Булатов- А.И., -Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые и тампонажные растворы: Учеб.пособие для ВУЗОв. М.: Недра. 1999. - 424 с.

9. Валиуллин P.A. Опыт применения термометрии для обнаружения затрубной , циркуляции в процессе эксплуатации насосных скважин.// Нефтепромысловое дело. 1979. № 6. - С. 14-19.

10. Владов МЛ. Сейсмоакустические многоволновые исследования в водонаполненных скважинах с помощью электроискрового источника упругих волн. Автореф. диссер. на соискание степени д. ф.-м. н.,Москва, 2003. 24 с.

11. Вяхирев Р.И., Коротаев Ю.П., Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. М Недра 1998. 479 с.15; Гальперин • Е.И. Поляризационный метод сейсмических исследований -М.: Недра. 1977.

12. Гальперин Е.И. Вертикальное сейсмическое профилирование М.:

13. ТеолЬгия-СССР, том 1 под редакцией А:В. Сидоренко. М.: Недра, 1971. 505 с. ■ ^'i'.^-'C.?

14. Геология и перспективы нефтегазоносности некоторых районов СССР и вопросы подземного хранения газа. Выпуск 7, Москва.: Недра, 1968.

15. Глоба ДА,,-. Яковлев Е.И., Борисов В.В. и др. Строительство и эксплуатации подземных хранилищ. Киев.: Будивельник, 1985.

16. Голубев B.C. Динамика геохимических процессов. М.: Недра. 1981, 208 с. , .•''.';' ;21^ ";ГоЛубев В.С, Габрилянц A.A. Гетерогенные процессы геохимической мйгрйцйигМ,: Недра. 1968. 191 с.

17. Гольянов А.И. Газовые сети и газохранилища: Учеб.для ВУЗОв. -Уфа.: Монография, 2004. 303 с.• Ю.А., Берштейн Д.А., Прямов П.А. и др. Акустические ирадиометрические,м^ определения качества цементирования нефтяных и газовых скважин. Ш:'Йедра, 19|71. 121с.

18. Гума В.И., Демидов A.M., Иванов В.А., Миллер В.В. Нейтронно-радиационный анализ, М: Энергоатомиздат, 1984 64 с.

19. H., Потапов А.П. Оценка техсостояния НКТ малогабаритным магнитоимпульсныи сканером. Новая техника и технология для ГИС , Уфа 2008г.

20. В.Н'., Гулимов А.В, Мамлеев T.G., Крысов А.А.,

21. Возможности аппаратурно-методического комплекса широко диапазонного спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (СНГК-Ш) для оценки характера насыщения коллекторов./ НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2004. - Вып. 12-13(125-126): -186-197 с.

22. Даниленког.В.Н., Шамшин В.И., Лысенков А.И., Борисова Л.К. Опробование комплекса спектрометрических' методов ядерно-геофизического каротажа в скважинах ПХГ/Газовая промышленность. 2007. - № 11. - 52-54 с.

23. Жувагин. И.Г. и др., Геофизические исследования эксплуатационных скважин. Уфа.: БашНИГНИнефть, 1985 г.

24. Запорожец В.М. Геофизические методы исследования скважин.. Справочник,геофизика М.: Недра, 1988. - 591 с.

25. С1Д. Развитие технологий мониторинга за объектом подземного хранения; ¿аза (на примере центрального ПХГ) Автореф. дисс. на соискание ученой степени к. тш., Ухта: 2010. 22 с.

26. Зубарев А.П., Шулейкин В.Н. Комплексный геофизический и геохимшеский -контроль при; эксплуатации подземных газохранилищ. М.: Газпром, 200^^ 264 с.38;. Сейсмическая: скважинная томография теории иметоды вычислений. //ТИИЭР, 1986, т. № 2. 99-110 с.

27. Инструкция по электроразведке. Л.: Недра, 1984. \ :/40::СрЬшсс)вич М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973; - 496 с. ^•;4№Шён1ерг-е.С. Интерпретация результатов каротажа сложных коллектрров^М.: Недра> ;1984;-256 с.

28. Итенберг С.С. и др. Геофизические исследования в скважинах. М.: Недра, 1982, 351 с.

29. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений, Недра 1972.7280 с. .44. : Карус!. ' Кузнецов О.Л., Файзуллин И.С. Межскважинное прозвучивание.-М.: Недра, 1986. 149 с.

30. Коваленкр::В.Е. Геофизические работы в скважинах. М.: Недра, 1992. -223 с.

31. Кожевников Д. А., Коваленко К. В Адаптивная интерпретация импульсных нейтронных методов /.// НТВ "Каротажник". Тверь: Изд-во АИС.

32. Комаров С.Г. Справочник по интерпретации данных каротажа: М:: Недра, 1966 г.

33. Корчуганова Н.И. Аэрокосмические методы в геологии. М;: FeoKap:f:;iraCv2006. 244 с..^ЗККузнёцрв Г.С., Леонтьев Е.И., Резванов P.A. Геофизические методы контроля разработ^'йёфтяньбс^'и газовых месторождений, М.: Недра, 1991 г.

34. Нигматуллин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука,

35. Мазуров В.А. Подземные газонефтехранилища в отложениях каменной соли. М. Недра. 1982, -212 с

36. Методика проведении космического мониторинга состояния территорий горных отводов для обеспечения промышленной безопасности при добыче и хранении нефти и газа. СТО-Газпром-2-ЗД-439-2010. М. 2010 г. 48 с. -, .

37. Методические указания, ГСИ. Объёмная активность радона в воздухе. Методика выполнения измерения интегральными трековыми радиометрами радона. С.-Пб, 1996 г. Утверждена Государственным центром единства измерения (НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева)

38. Методические указания по контролю технического состояния крепи скважин (вторая редакция). Москва, 2002 г. Утверждена открытым акционерным обществом «Газпром».

39. Микин M.J1. Исследование и разработка технологических комплексов ГЙС-контроль действующих газовых скважин. Автореферат диссер. На соискание степени к. т. н., г. Тверь.: ГЕРС, 2000. 23 с.

40. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. МГТУ, М, 1996 г, -519с.

41. Моисеев В.Н. Применение геофизических методов в процессе эксплуатации скважин, М.: недра 1990.

42. Молчанов A.A. Геофизические методы экологического контроля окружающей среды при разработке нефтегазовых месторождений России. // Экология и развитие общества: Сб. докладов 8-ой Международной конференции. СПб. 2003 г. - С. 88-93.

43. Пермяков; В.М Радиоактивные эманации. М.-Л, Изд-во Акад. Наук СССР (Ленинградское отделение), 1963, 175 с.

44. Правила создания и эксплуатации подземных хранилищ газа в . пористых-пластах. ПБ-08-621-03. Постановление Госгортехнадзора № 57 от ; 18.07:2(ЮЗШ1^:

45. Правила,, обустройства и безопасной эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли. ПБ-08-83-95. Постановление Госгортехнадзора России № 2 от 11.01.95 г. 60 с.

46. Подземные. хранилища газа, нефти? и. продуктов их переработки.

47. Сврд правйл.чпо" проектированию и строительству СНиП 34-02-99. Письмо Госстрой России.'^ 28 с.

48. ПутиковЮ.Ф; Основы теории нелинейных геоэлектрохимических методов поисков и разведки. СПб!—2008 г. 533 с.^ в1.г :<2авйч А.И., Ященко З.Г. Исследование упругих и деформационных свойств горных поррд сейсмоакустическими методами М.: Недра, 1979. -214 с.

49. Самсрнрв;Б.Г; И др. Методы изучения ореолов рассеяния вещества в подземных водах. МШИЭМС, 1978, 56 с.

50. Сейсморазведка. Справочник геофизика, под редакцией Гурвича ; \ М.: Недра, 1990. - 336 с.• •.л .- 84. '! Сердюкова. Л; .С., Капитанов Ю.Т. Изотопы радона и продукты их распада в природе>>?Иёд,.2-е, М.: Атомиздат, 1975, 296 с.

51. Сейсмическая скважинная томография- система измерений и полевые эксперименты Густавссон М., Иванссон С., Морен П., Пил Ю. /7та № 2. 111-120 с.

52. Сидоров '. В. А. . Импульсная индуктивная электроразведка. М.:1. Недра;"'1985^"'

53. Солдаткин С.Г. Методы контроля герметичности подземных хранилищ газа. .Обз. Информ. Сер. Транспорт и подземное хранение газа. -/М^ШВДЙ^Р^ООО; - 37 с.

54. ТелегинVÄ;H. Сейсморазведка методом преломленных волн. СПб.: Изд-во С.Петерб. ун-та', 2004. 187 с.

55. Теплухин В.К., Миллер A.B., Миллер A.A. Изучение технического состояния обсадных бурильных и насоснокомпрессорных труб методом электромашитной дефектоскопии/. // НТВ Каротажник.- 2000.-Вып. 68.-е. 3540: " ''"

56. Шарафутдинов Р:Ф., Валиулин P.A., Садретдинов A.A. и др. Влияние азимутальной неоднородности распределения изотопов в призабойной зоне .пласта: на.показания гамма-каротажа. //НТВ Каротажник. 2007. - вып.,

57. Шшш0ш^-.;В;Л.'. ;?.Методы. анализа естественных радиоактивных элементов. М.: Госатомиздат, 1961, 152 с.

58. Хайкович И. М., Шашкин В. Л. Опробование радиоактивных руд по гамма-излучению. М., Энергоатомиздат, 1982.9äV:'UJEämKHH . В.Л. Методы анализа естественных радиоактивных элементов. М . Гоёятрмиэдат,. 1961, 150 с.

59. Ширковский А.И., Задора Г.И. Добыча и подземное хранение газа; М.: Недра, 1974,- 192 с.

60. Файзуллин И.С. Физические основы сейсмоакустического метода изучения строения среды в пространстве между скважинами. -М.: изд-вовнииягг,а982:

61. Москва.: Стандартинформ, 2009: 24 с.•r\';.V:V: ii 99. Чу^нов ^-В. Геофизический мониторинг подземных газохранилищ Северо-Западного рёгиона-' (на примере Невского ПХГ). Автореф. диссер. на соискание степени к.г.-м.н., СПб, 2001. 24 с.

62. Чугунов А.В., Молчанов А.А., Горшков JI.K. Влияние естественных радионуклидов на подземные хранилища газа. Материалы 12-ой международной -конференции, сборник научных статей МАНЭБ, СПб, 2009 г.

63. Электроразвёдка: Справочник геофизика. М.: Недра, 1979

64. Яновская Т.Б. Проблемы сейсмической томографии в сборнике научнщ .трудов. .//Проблемы геотомографии -Мл Наука, 1997. 86-97 с./ . 103.;Blqch;; S. Origin of Radium-Rich Brines-a Hypothesis.- Oklahoma, Geological Notes,^l979, yoI. 39, pp. 177-182.

65. Отчет ' НПФ 'ТЕОМАК" "Результаты исследовании по предварительной оценке (этап 2) и мониторингу радиоэкологической обстановад Лучин И. А. С.-Петербург, 2001 г.

66. НИР ОАО НПП «ВНИИГИС» «ИсследованиевозможностейГ. • о^ейногб-^мётрда-. межскважинной сейсмотомографии при детальном изучении геологического строения открываемых залежей нефти на территории РБ», В.К. Теплухин, Октябрьский, 2001 г.

67. Отчет Северо-Западной экспедиции «Союзгазгеофизика» Комплекс промыслово-геофизичёских исследований скважин Инчуканского, Гатчинского, Колпинского и Невского ПХГ., Мурзин Г.Н. и др. 1982 г.

68. Отчет Прибалтийской партии №8 Невского ПГО «О результатах прогнозно-геологических работ по оценке перспектив ураноносности гдовских отложений Южной части балтийского щита, проведённых в 1977-1981 гг.» Шустов Б. II., Онойко Й. С и др., Л., 1981 г.