Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Поиск и оконтуривание очагов засоления подземных вод методами наземной электроразведки

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Харьковский, Константин Станиславович, Санкт-Петербург



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

На правах рукописи

Харьковский Константин Станиславович

ПОИСК И ОКОНТУРИВАНИЕ ОЧАГОВ ЗАСОЛЕНИЯ

ПОДЗЕМНЫХ ВОД МЕТОДАМИ НАЗЕМНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ (НА ПРИМЕРЕ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН)

Специальность: 04.00.06 - Гидрогеология

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители чл.-корр. РАН, д.г.-м.н., проф. В.А. Мироненко д.г.-м.н., проф. В.Х. Захаров

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

1.Гидрогеоэкологичеекая и петрофизическая характеристика нефтедобывающих районов республики Татарстан....................................9

1.1 Геологическое строение и гидрогеологические условия района..........9

1.2 Состояние изученности петрофизических свойств и геоэлектрической ситуации на территории Юго-восточного Татарстана...................................17

1.2.1 Анализ ранее проведенных геофизических исследований.............17

1.2.2 Петрофизическая характеристика района работ..............................22

1.3 Характеристика основных источников загрязнения подземных вод.... 30

1.3.1 Характеристика потенциальных источников загрязнения подземных вод, связанных с объектами нефтедобычи............................30

1.3.2 Состав попутных вод, используемых для законтурного заводнения..................................................................................................36

2. Взаимосвязь засоленности горных пород и подземных вод с петрофизическими параметрами...................................................................40

2.1. Анализ опубликованных данных по связи засоленности

и электрических свойств горных пород и подземных вод...........................40

2.2. Анализ связи засоленности горных пород и подземных вод с петрофизическими параметрами по данным каротажа

и гидрогеологического опробования скважин.............................................50

3. Классификация источников засоления подземных вод на территориях нефтепромыслов по их проявлению

в электрических полях....................................................................................70

3.1. Основные принципы классификации.....................................................70

3.2. Примеры регистрации различных типов источников засоления..........81

4. Обоснование оптимального комплекса методов наземной электроразведки для поиска и оконтуривания ореолов и источников загрязнения......................................................................................................85

4.1. Метод сопротивлений в условиях резко неоднородных сред...............85

4.1.1. Метод сплошных электрических зондирований (СЭЗ)

для оконтуривания засоления разреза на глубину...................................86

4.1.1.1 Постановка задачи.........................................................................86

4.1.1.2. Обоснование обобщенной геоэлектрической модели участка солевого загрязнения на в нефтедобывающих районах.............................87

4.1.1.3. Анализ зависимости проявления участков засоления в разрезе

при помощи численного моделирования электрического поля..................90

4.1.1.4. Анализ влияния поверхностных неоднородностей нефтепромыслов на данные ВЭЗ...............................................................93

4.1.1.5. Практический пример интерпретации данных сплошного электрического зондирования с использованием современных программ по двухмерному моделированию электрического поля.............99

4.1.2. Профилирование методом сопротивления для оконтуривания поверхностных разливов минерализованных растворов..........................104

4.1.3. Возможность учета влияния техногенных помех на данные измерений в методах наземной электроразведки.....................................111

4.1.3.1. Техногенные помехи на нефтяных месторождениях.....................111

4.1.3.2. Физическое моделирование для определения степени влияния подземных трубопроводов ни данные электропрофилирования

и электрозондирования.............................................................................113

4.2.Методы электроразведки для изучения подземных трубопроводов -основных источников загрязнения подземных вод......................................119

4.2.1 .Постановка задачи.............................................................................119

4.2.2. Основные причины коррозионного разрушения подземных трубопроводов в условиях нефтепромыслов............................................121

4.2.2.1. Виды коррозионного разрушения.....................................................121

4.2.2.2. Обзор основных факторов, влияющих на подземную

коррозию......................................................................................................122

4.2.3. Теоретическое и экспериментальное обоснование применения метода естественного электрического поля для коррозионных исследований..............................................................................................127

4.2.4 Обзор современных методов диагностики утечек на трассах подземных трубопроводов.........................................................................134

4.2.5 Экспериментальное обоснование применения метода естественного поля для диагностики утечек из подземных трубопроводов на нефтяном месторождении...........................................137

4.2.6 Метод заряженного тела...................................................................139

4.2.7. Поиск мест электрического контакта пересекающихся трубопроводов............................................................................................145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................148

Литература

151

ВВЕДЕНИЕ

Уже на протяжении нескольких десятков лет объекты нефтедобывающего комплекса оказывают отрицательное воздействие на качество подземных вод юго-восточного региона Республики Татарстан, связанное с широкомасштабным загрязнением их попутными рассолами из глубоких водоносных горизонтов.

При этом наиболее уязвимыми оказались залегающие на глубинах до 100150 м водоносные горизонты, связанные с отложениями казанского яруса, которые продолжают широко использоваться для питьевого водоснабжения. Гидрогеологической службой ТГРУ АО ТАТНЕФТЬ, Казанским государственным университетом, Альметьевской геологоразведочной экспедицией и другими геологическими организациями выполнен значительный объем работ по оценке масштабов загрязнения подземных вод, поискам его основных источников и разведкой отдельных наиболее опасных очагов загрязнения, сформировавшихся на территории региона. Все эти работы обычно носят длительный характер и связаны с большими материальными затратами, но они в силу объективных причин не всегда позволяют достаточно детально отслеживать развитие процессов загрязнения на большинстве даже самых крупных объектов нефтедобывающей промышленности. В то же время на ряде таких объектов ситуация с загрязнением подземных вод складывается все более остро и требует принятия незамедлительных решений, поскольку под угрозой оказываются практически единственные источники питьевого водоснабжения местного населения. Все это резко повысило требования к оперативности и информативности проводимых работ.

С целью поиска источников и оконтуривания очагов загрязнения подземных вод традиционно используются различные методы электроразведки, что обусловлено более высокой контрастностью проявления загрязнения именно в электромагнитных полях. Сложные геолого-гидрогеологические и геотехниче-

ские условия, наличие многочисленных источников загрязнения, техногенные помехи ограничивают применимость методов электроразведки и делают необходимой разработку новых методик полевых электроразведочных работ и интерпретации полученных данных.

Район исследования располагается в пределах Ромашкинского нефтяного месторождения. По последним данным, загрязнение подземных вод происходит, в основном, за счет поверхностных источников. Поэтому методы геофизики наиболее целесообразно использовать для поиска и оконтуривания поверхностных ореолов и источников загрязнения. Именно таким путем было установлено, что наибольший вклад в загрязнение подземных вод вносят трубопроводы системы нефтесбора и поддержания пластового давления. Это обусловило необходимость разработки специализированной методики по исследованию и предупреждению утечек на подземных трубопроводах. В процессе проводимых исследований выяснилось также, что наиболее контрастно в электрофизических полях отражаются засоленные участки зоны аэрации и гораздо менее контрастно - зоны полного водонасьпцения. Все это, в сумме с многочисленными техногенными помехами, потребовало внесения значительных корректив в традиционные методики по изучению засоления подземных вод и грунтов.

Целью данной работы является усовершенствование существующих и создание специализированных электроразведочных методик оперативного поиска источников и оконтуривания ореолов засоления подземных вод. Для достижения данной цели был определен соответствующий круг задач:

• Разработка классификации источников засоления подземных вод на территориях нефтепромыслов по их проявлению в электрофизических полях.

• Обоснование комплекса методов электроразведки для поиска и оконтуривания источников и ореолов засоления верхней части разреза в плане и на глубину.

• Разработка методики интерпретации результатов электроразведочных работ посредством создания типовых физико-геологических моделей и применения двумерного моделирования электрических полей в сложно построенных, горизонтально-неоднородных средах, характерных для нефтяного месторождения и включающих: горизонтально-слоистый разрез терригенно-осадочных отложений, приповерхностные неоднородности (участки засоления на дневной поверхности), подземные металлические трубопроводы, глубинные неоднородности (участки засоления в разрезе терригенно-осадочных отложений).

• Изучение на физических моделях влияния техногенных помех на данные электропрофилирования и электрозондирования.

• Экспериментальное изучение формирования электрических полей при утечках из подземных трубопроводов.

Работа основана на материале полевых работ кафедры гидрогеологии СПбГГИ, МНЦ Гидрогеоэкологии СПбГУ на территории Ромашкинского нефтяного месторождения юго-востока Татарстана, в которых постоянно участвовал автор в 1995-1997 г.г. Часть материалов - электроразведочные съемки на различных очагах засоления, данные по бурению, каротажу и опробованию скважин были предоставлены сотрудниками Альметьевской геологоразведочной экспедиции - О.И. Голумянцем и Б.А. Цитцером. При составлении разделов диссертации использовались фондовые материалы и отчеты, полученные в фондах Татарского геологоразведочного управления. Полевые геофизические работы проводились в тесном контакте с сотрудниками Татарского ГРУ - Абдуловым А.Х. и др. - одновременно с бурением гидрогеологических скважин, местоположение которых нередко корректировалось в ходе полевых работ по данным геофизики. Теоретические разработки осуществлялись автором в рамках выполнения грантов РФФИ на кафедре гидрогеологии СПбГГИ, практические эксперименты проводились в лабораториях кафедр геофизики СПбГГИ и

СПГУ. Лично автором планировались и выполнялись полевые работы на территории деятельности АО "Татнефть", осуществлялось внедрение программного обеспечения и аппаратуры в Альметьевской геологоразведочной экспедиции АО "Татнефть".

В ходе выполнения работы широко использовались различные виды полевых и лабораторных экспериментов для определения особенностей проявления засоленных участков и металлических трубопроводов в электрических полях. Теоретическое обоснование новых полевых методик выполнялось с привлечением методов физического и математического моделирования, в частности, пакета программ по двумерному моделированию электрических полей 1Е2БЬ, разработанного на кафедре геофизики МГУ.

Были сформулированы следующие защищаемые положения'.

1. Классификация источников засоления подземных вод на территориях нефтепромыслов по их проявлению в электрических полях, построенная по генетическому признаку, является основой для выбора рационального комплекса методов электроразведочных исследований по обнаружению и оконтуриванию зон загрязнения подземных вод и грунтов.

2. Сочетание методов вертикальных электрических зондирований (в модификации сплошных электрозондирований) и электропрофилирования позволяет оперативно выявлять и различать элементы электрической неоднородности разреза по степени засоления приуроченных к ним подземных вод - на глубинах до 30-50м.

3. Задача выделения и дифференциации интенсивно корродированных и поврежденных участков трубопроводов, представляющих повышенную экологическую опасность, эффективно решается комплексом методов естественного электрического поля, заряженного тела и сопротивлений (в модификации электропрофилирования) .

На основе выявленной дифференциации водоносных горизонтов по электрическим свойствам и классификации источников засоления подземных вод обоснован рациональный комплекс, адаптированный к условиям юго-востока Татарстана и включающий методы ВЭЗ (в модификации сплошных электрозондирований) и электропрофилирования для оконтуривания засоленных участков в верхней части разреза.

Теоретические результаты работы могут быть использованы при организации и планировании работ методами наземной электроразведки с целью поиска источников засоления подземных вод на нефтепромыслах, а также в обосновании местоположения стационарных пунктов наблюдения при организации гидрогеофизического мониторинга.

Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийском молодежном научном форуме "Интеллектуальный потенциал России -в XXI век " (Санкт-Петербург, 1995), на Пятых и Шестых Толстихинских чтениях (Санкт-Петербург, 1996,1997), на международной геофизической конференции и выставке (Москва, 1997), на постоянно действующем семинаре кафедры гидрогеологии СПбГГИ, а также отражены в девяти публикациях. Основные положения методики использовались на практике в полевых работах кафедры гидрогеологии.

Автор приносит свою благодарность научным руководителям проф. В.А. Мироненко и проф. В.Х Захарову. Автор глубоко признателен канд. г.-м. наук В.К. Учаеву за тесные рабочие контакты, во многом способствовавшие повышению качества обсуждаемой диссертации. Автор благодарен K.M. Ермохину за сотрудничество и ценные научные консультации, К.В. Титову, A.A. Потапову и И.Л. Хархордину за своевременную критику и участие в обсуждении полученных результатов, асп. Воронцовой Н.И за помощь в оформлении работы. Автор признателен за содействие и ценные советы сотрудникам АО "Татнефть" А.Х. Абдулову, В.А. Ходиной, О.И. Голумянцу, Б.А. Цитцеру, P.M. Гарееву.

9

ГЛАВА 1

Гидрогеоэкологическая и петрофизическая характеристика нефтедобывающих районов республики Татарстан.

1Л. Геологическое строение и гидрогеологические условия района

Район исследования располагается в пределах Ромашкинского нефтяного месторождения, занимая верховья бассейна реки Зай и левобережный участок в среднем течении реки Ик (рис. 1Л Л). В нефтедобывающем регионе республики Татарстан наиболее подверженные техногенному загрязнению водоносные комплексы связаны с отложениями пермской, неогеновой и четвертичной системы.

Гидрогеологическое строение исследуемой территории является достаточно сложным. В толще осадочных пород могут быть встречены водоносные горизонты и комплексы, приуроченные как к терригенным, так и к карбонатным коллекторам, не выдержанным в плане ни по мощности ни по фа-циальному составу. Пресные воды на территории региона распространены в отложениях четвертичной и неогеновой систем, верхнего отдела пермской системы и на локальных участках в карбонатах сакмарского яруса нижней перми.

Водоносные горизонты, приуроченные к более глубокозалегающим отложениям осадочного чехла, содержат высокоминерализованную воду, непригодную для питьевого водоснабжения населения и использования в народном хозяйстве.

В соответствии с принятым гидрогеологическим районированием территории Российской Федерации, рассматриваемый регион относится к Восточно-Русскому сложному бассену пластовых и блоково-пластовых вод, входя в состав Волго-Сурского артезианского бассейна второго порядка.

На рассматриваемой территории тастубский региональный водоупор и водоупорный локально-водоносный верейский горизонт разделяют толщу

)

Рис. 1.1.1 Обзорная карта Восточной части Р. Татарстан. Места расположения участков полевых работ каф. гидрогеологии СПбГГИ и МНЦ Гидрогеоэкологии СПГУ в 1995-97 г.г.

1. Опытный полигон "Васильевка".

2. Участок "Змеиная Головка".

3. Участок в районе питания Микулинского и Бирючевского родников.

4. Участок обследования нефтепровода ДНС 1-сс - ЦНС.

осадочного чехла на три гидродинамических этажа: верхний, средний и нижний. Верхний этаж приурочен к зоне активного водообмена и находится в полной зависимости от дренирующего влияния местной гидрографической сети, эрозионных врезо