Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Роль водорастворенных газов в формировании и процессах разработки газовых месторождений со слоистыми коллекторами

ВАК РФ 25.00.12, Геология, поиски и разведка горючих ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Роль водорастворенных газов в формировании и процессах разработки газовых месторождений со слоистыми коллекторами"

005008890

На правах рукописи

РАХБЛРИ НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

Роль водорастворенных газов в формировании и процессах разработки газовых месторождений со слоистыми коллекторами (на примере месторождении Медвежье)

Специальность 25.00.12 - Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

2 0ЕЗ Ш

Москва, 2012

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем нефти и газа.

Научный руководитель: Абукова Лейла Азретовна, доктор

геолого-минералогических наук (ИПНГ РАН)

Официальные оппоненты: Ульмасвай Феликс Садямович, доктор

геолого-минералогических паук (ИПНГ РАН)

Варягов Сергей Анатольевич, доктор геолого-минералогических наук (ООО «Газпром добыча Надым»)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

природных газов и газовых технологий -Газпром ВНИИГАЗ (ООО «Газпром ВНИИГАЗ)

Защита состоится 29 февраля 2012 г. в 15 часов на заседании Диссертационного Совета Д.002.076.01 Института проблем нефти и газа Российской академии наук: 119333, г. Москва, ул. Губкина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться у Ученого секретаря Диссертационного Совета Д.002.076.01 Института проблем нефти и газа Российской академии паук.

Автореферат разослан 23 января 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, к.т.н.

Баганова М.Н.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Общеизвестно, что объемы свободных газов составляют незначительную долю от общих объемов водорастворенных газов (ВРГ) литосферы. Только в Западно-Сибирском нефтегазоносном мегабассейне общее количество ВРГ в пластовых водах превышает 1000 трлн. м3. Несмотря на это, вопрос о роли ВРГ в формировании и в разработке газовых месторождений до настоящего времени остается дискуссионным. Слабо изучены особенности состава ВРГ в различных нефтегазоносных бассейнах, степень и механизмы их участия в формировании нефтяных и газовых залежей, масштабы дегазационных процессов в пластовых водах при изменении термобарических условий и воздействии сейсмических факторов. Применительно к этапу эксплуатации газовых месторождений обсуждаются вопросы влияния дегазации подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения на режимы разработки и подпитку дренированных запасов углеводородов. Таким образом, исследование дегазационных процессов в подземной гидросфере, происходящих в природных и техногенных условиях на газовых месторождениях, несомненно, является актуальной научно-практической проблемой.

Цель настоящей работы — оценка роли дегазации подземных вод в слоистых коллекторах в формировании и процессах разработки газовых месторождений (на примере месторождения Медвежье).

Правомочность подобной постановки исследования определяется тем, что механизмы разгазирования подземных вод на всех этапах «жизненного цикла» газовых месторождений физически идентичны.

Объект исследования. Месторождение Медвежье выбрано в качестве объекта исследований по двум причинам.

1. Газонасыщенность подземных вод на Медвежьем значительно выше, чем на многих других месторождениях севера Западной Сибири, поэтому дегазационные процессы здесь протекали как при формировании месторождения, так и в период его разработки.

2. Характерной особенностью геологического разреза месторождения Медвежье является литологическая слоистость: тонкое чередование глинистых и песчаных пропластков. Подобное строение разреза накладывает свой отпечаток на характер дегазации подземных вод.

Задачи исследования:

1. Анализ влияния геологических факторов на дегазационные процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье.

2. Обоснование роли газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в формировании месторождения Медвежье.

3. Экспериментальная оценка подвижности газов, выделившихся в пористой среде из подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения.

4. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений.

Объекты исследования: а) физическая система "ВРГ - защемленный газ - свободный газ"; б) геологический объект - сеноманская газовая залежь месторождения Медвежье.

Материалы исследования были собраны по литературным и фондовым источникам, а также получены в результате экспериментального моделирования.

Методы исследования: традиционные методы анализа геологической информации; методы экспериментального моделирования; компьютерная обработка материалов в современных программных пакетах («Petrel», «DV-Geo»).

Научная новизна:

- Доказано, что главная роль дегазации пластовых вод в тонкослоистых коллекторах месторождения Медвежье состоит в усилении изолирующих свойств его периферийных заглинизированных частей. Переход мельчайших пузырьков газа из водо-растворенного состояния в свободное резко снижает относительную фазовую проницаемость по воде, обеспечивает сохранность уникальной по размерам сеноманской залежи в течение новейшей геологической истории.

- Установлено, что объем газов, выделившихся из водорастворенного состояния и попавших в залежь, не превышает 10-15 % от объема свободного газа в сеноманской залежи; основная их часть пополнила запасы залежи в процессе олигоценового воздымания Медвежьего вала..

- Уточнены фоновые значения минерализации и химический состав пластовых и конденсационных вод месторождения Медвежье, что важно для корректной оценки масштабов дегазационных процессов.

Выявлена геохимическая агрессивность конденсационных вод по отношению к породам коллекторов, что может рассматриваться как одна из геологических причин пескования эксплуатационных скважин.

Экспериментально доказана низкая миграционная способность выделившихся из водорастворенного состояния газов на этапе разработки.

- Экспериментально установлены различия процессов дегазации в однородных и неоднородных коллекторах: показано, что неоднородность разреза ведет к сдвигу по времени начала свободного продвижения газовых пузырьков в пористой среде.

Оценены объемы обводненных газонасыщенных коллекторов сеноманской залежи, рассчитаны объемы УВ-газов, выделившихся из пластовых вод месторождения Медвежье при снижении давления ниже давления насыщения в процессе разработки.

- Определена доля выделившихся из пластовых вод газов в объеме остаточных газов на заключительных этапах разработки месторождения Медвежье.

Практическая ценность работы. Результаты исследований рекомендуются к использованию при обосновании проектных решений по оптимизации добычи УВ, в частности при определении мест заложения новых скважин на Медвежьем и других газовых месторождениях с длительной историей эксплуатации.

Защищаемые положения.

1. Обособление газообразных УВ из пластовых вод на заглинизированных бортах Медвежьего вала, наиболее активно проявившееся в олигоцене, явилось важным газогидродинамическим фактором изоляции месторождения от водонапорной системы и обеспечения сохранности его уникальных запасов.

2. Конденсационные воды месторождения способствуют растворению солей угольной и кремниевой кислоты, что на заключительных этапах эксплуатации месторождения может ухудшать условия продвижения газов, выделившихся из подземных вод, а также приводить к пескованию эксплуатационных скважин.

3. Выделившиеся из водорастворенного состояния газы в виде мельчайших дисперсно рассеянных пузырьков способны к продвижению только в гидродинамически активной среде; литологическая неоднородность (слоистость) приводит не к уменьшению масштабов дегазации, а к ее сдвигу по времени, усиливает пульсацион-ный характер этого процесса.

4. На месторождении Медвежье к настоящему времени доля газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в составе остаточных газов составляет 1015 %, однако, по мере снижения остаточных запасов она будет возрастать (до 15-20% при снижении пластового давления до 1,0-1,5 МПа).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Содержит 218 страницы машинописного текста, включая 39 рисунков, 48 таблиц. Список литературы содержит 165 наименований.

Ключевые слова: водорастворенный газ, защемленный газ, остаточный газ, пластовое давление, обводнение продуктивного пласта, минерализация, химический состав подземных вод, газовое месторождение Медвежье.

Апробация работы. Основные результаты работы изложены в 9 публикациях, из них 4 - в журналах из списка ВАК.

Результаты работы представлялись: на семинарах лабораторий нефтегазовой гидрогеологии (2009, 2010, 2011 гг.), газонефтеконденсатоотдачи пластов (2011 г.), анализа осадочных бассейнов (2011 г.), общеинститутском семинаре (2011 г.) ИПНГ РАН; международных конференциях «Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии» (2005 г.), «Гидрогеология в начале 21 века» (2007 г.), «Третьей международной конференции молодых ученых по наукам о Земле» (2006 г.); Всероссийской конференции «Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и прикладные вопросы)» (2010 г.); на конференциях молодых специалистов ИПНГ РАН (2006, 2011 гг.) и т.д.

Благодарности. Работа выполнена в Институте проблем нефти и газа РАН. Автор считает своим долгом поблагодарить директора академика А.Н. Дмитриевского, зам. директора В.М. Максимова, ученого секретаря института Св.А. Сидоренко, ученого секретаря Диссертационного Совета М.Н. Баганову за предоставленную возможность работы над диссертацией, Ю.И. Яковлева, Б.П. Акулинчева, О.П. Абрамову Ф.С. Ульмасвая, В.Л. Шустера, С.Н.Закироваза профессиональные советы и практическую помощь. Искренняя признательность сотрудникам НТЦ ООО «Газпром добыча Надым», а также ООО "Газпром ВНИИГАЗ" Н.Г. Паршиковой, Н.С. Полуэктовой за консультации и ценные замечания. Особая благодарность руководителю диссертации Л.А. Абуковой за постоянное внимание и поддержку.

ГЛАВА 1. Обзор изученности роли дегазации подземных вод в процессах формирования и разработки газовых месторождений

Применительно к Западной Сибири выполнена периодизация истории изучения ВРГ, обозначен вклад отдельных исследователей в изучение ВРГ нефтегазоносных бассейнов и их роли на этапах формирования и промышленного освоения месторождения (табл. 1).

Таблица 1. - Основные этапы изучения ВРГ Западной Сибири

№ п/п Период Основные результаты Ведущие авторы

1 2 3 4

1. До 50-х годов Общие региональные работы по изучению гидрогеохимических условий верхнемеловых отложений Западной Сибири. В.И. Вернадский, Г.Д. Гинс-бург, В.П. Савченко, В.А. Соколов, В.А. Сулин и др.

2. 50-70-е года Накопление данных по газовому составу подземных вод месторождений УВ, составление первых региональных обобщений по закономерностям изменения компонентного газового состава подземных вод нефтегазовых месторождений Западной Сибири. В.Г. Васильев, К.И. Багринцева, A.M. Блох, В.Г. Васильев, Н.В. Дуброва, A.C. Зингер, A.A. Карцев, В.Г. Козлов, В.Н. Кор-ценштейн, Б.Ф. Маврицкий, JI.A. Польстер, М.И. Суббота, B.Б. Торгованова, и др.

3. 70-90-е года Разработка теоретических представлений о газовом режиме подземных вод месторождений УВ. Разработка диагностических критериев поиска и разведки новых зон нефтегазонакопления. Первые работы по изучению процессов дегазации вод на эксплуатирующихся месторождениях. С.Н. Беспалова, А.Е. Гуревич, С.Н. Закиров, Л.М. Зорькин, JI.H. Капченко, A.A. Карцев, В.Н. Корценштейн, Н.М. Круг-ликов, А.Н. Лапердин, В.М. Ма-тусевич, А.Ю. Намиот, В.В. Нелюбин, Н.С. Полуэктова, Р.Г.Семашев, Е.В. Стадник, М.И. Суббота, Ю.С. Шилов, О.Н. Яковлев и др.

4. С 90-х годов -по настоящее время Активное развитие нефтепромысловой гидрогеологии. Изучение механизмов взаимодействия ВРГ и свободных газов. Оценочные рабо-ты-о роли ВРГ в формировании режимов разработки газовых месторождений. Систематизация сведений по составу ВРГ месторождения Медвежье. Л.А. Абукова, Б.П.Акулинчев, Ю.Н. Васильев, П.А. Гереш, B.C. Гончаров, П.И. Дворецкий, В.И. Ермаков, С.Н. Закиров, А.Н. Кирсанов, А.Э. Конторо-вич, А.Р. Курчиков, Г.А. Ланча-ков, В.М. Матусевич, Д.А. Новиков, Г.И. Облеков, Э.М. Прасолов, Р.Г. Семашев, P.M. Тер-Саркисов, Н.Ф. Чистякова, Ю.И. Яковлев и др.

Таким образом, основной базой для изучения механизма дегазации подземных вод при формировании и разработке газовых месторождений являются общетеоретические, региональные, геолого-промысловые ранее проведенные исследования, освещающие следующие вопросы:

> условия насыщения вод газами различного состава и генезиса в зависимости от температуры, давления, солевого состава подземных вод, выделения газа на элизионных и инфильтрационных этапах развития бассейна;

> изменение во времени, по площади и разрезу газонасыщенности и состава подземных вод как непосредственно на месторождении Медвежье, так и во всей водонапорной системе Западной Сибири;

> роль подземных вод при эксплуатации продуктивного комплекса месторождения.

ГЛАВА 2. Основные теоретические и методические положения изучения процесса дегазации подземных вод при формировании и разработке газовых месторождений

В главе суммированы основные теоретические и методические положения нефтегазовой гидрогеологии, которые раскрывают закономерности формирования состава газов, растворенных в подземных водах нефтяных и газовых месторождений, причины и механизмы дегазации вод. В частности детально рассмотрено влияние гидродинамических и гидрохимических условий насыщения, перенасыщения и разга-зирования пластовых вод при определенных геологических и геолого-промысловых ситуациях (табл. 2).

Таблица 2. - Теоретические и методические основы изучения роли дегазационных процессов при формировании и разработке месторождения _Медвежье_

Базовые положения нефтегазовой гидрогеологии, использованные для исследования дегазации пластовых вод в природных и техногенных условиях:

• генетическая связь рассеянных, свободных газов и ВРГ между собой и органическим веществом осадочного разреза;

• соотношение ресурсов рассеянного, водорастворенного и свободного газов в виде 100:10:1;

• зависимость количества растворенных газов от температуры (сложная), давления (прямая), солености вод (обратная);

• способность вод долгое время находиться в перенасыщенном (диспергированном) состоянии в глубоких горизонтах как глобальное явление;

• возможность сейсмо-акустических и вибрационных воздействий на дегазацию перенасыщенных газом водных растворов;

• недонасыщенность вод глубоких горизонтов и дефицит упругости ВРГ на глубинах свыше 4-5 км как общая закономерность осадочных нефтегазоносных бассейнов;

• важная роль поровых вод глинистых отложений в формировании гид_рохимических условий дегазации в слоистых коллекторах._

Методические основы нефтегазовой гидрогеологии, использованные для исследования дегазации пластовых вод в природных и техногенных условиях:

• оценка значений газонасыщенности вод и. упругости растворенного газа в зависимости от термобарических условий;

• оценка генезиса вод по совокупности гидрохимических критериев;

• экспериментальное исследование процессов дегазации вод в пористой слоистой среде при снижении давления ниже давления насыщения.

Таким образом, современная научно-методическая база нефтегазовой гидрогеологии позволяет решить задачи, вытекающие из целей настоящей диссертационной работы.

ГЛАВА 3. Общая характеристика газового месторождения Медвежье

В главе приведены необходимые для последующего анализа сведения о Медвежьем, в частности показано следующее:

> месторождение приурочено к структуре 1-го порядка, уникальной по площади и амплитуде, которая на протяжении всей геологической истории, особенно в преднеогеновое время, была гигантской зоной нефтегазонакопления;

> главная особенность литологического строения - тонкая слоистость тер-ригенного разреза; фильтрационно-емкостные свойства пород различны; сеноманские коллектора обладают высокой флюидопроводимостью;

> мощность осадочного чехла - не менее 7 км, породы обогащены ОВ, существуют собственные зоны генерации УВ в пределах вала, не исключена дальняя латеральная миграция УВ;

> месторождение находится в состоянии падающей добычи, за весь период разработки отобрано более 80 % начальных утвержденных запасов; ныне в его недрах содержится более 400 млрд. м3 остаточного газа, мнения специалистов о вкладе в его формирование газа, выделившегося из пластовых вод, расходятся, поэтому вопрос требует дальнейшего изучения.

ГЛАВА 4. Гидрогеологические условия месторождения Медвежье на этапе его формирования

В главе рассмотрено строение водонапорной системы месторождения, представленной тремя водонапорными комплексами: юрским, верхневаланжин-барремским и апт-сеноманским.

Гидродинамические условия месторождения Медвежье изучены крайне слабо. В целом движение вод происходит преимущественно в северо-западном направлении, что совпадает с ориентацией Медвежьего вала. В отдельные периоды геологической истории могли существовать условия для вертикальной миграции вод и УВ.

Гидрохимические условия во многом определяются положением месторождения во внутренней гидрогеологической зоне Западно-Сибирского мегабассейна. На основании гидрохимических данных, отобранных до начала или в первые годы разработки, выявлено, что состав пластовых вод обуславливается присутствием (и взаимодействием между собой) древних конденсационных, седиментогенных вод и поро-вых вод глинистых отложений.

Древние конденсационные воды сохранились наУКПГ-1, -2, -3,-4 (в иных случаях, они, по-видимому, потеряли свой первоначальный геохимический облик, смешавшись с седиментогенными). Воды имеют явный гидрокарбонатно-натриевый тип (по В.А.Сулину), низкое содержание микроэлементов, в том числе йода и брома, повышенные значения натрий-хлорного коэффициента.

Седиментогенные растворы, распространенные на большей части месторождения, представляют собой воды хлоридно-кальциевого состава с минерализацией 1823 г/дм3. Повышение минерализации вод носит очаговый характер и, скорее всего, объясняется возможной гидродинамической связью с нижнемеловыми отложениями. Фиксируется тенденция к гидрохимической инверсии с глубин 2100-2300 м.

В целом основная закономерность изменения минерализации пластовых вод более всего согласуется с лито-фациальной обстановкой залежи: заглинизированным участкам месторождения в гидрохимическом отношении соответствуют зоны слабого распреснения вод (рис. 1а и б)._

Рисунок 1. - а) Карта распределения минерализации пластовой воды до начала

, , , з. ,, 452 номер скважины

разработки (в г/дм ). Условные обозначения------г/

19,8 минерализация,г / дм'

б) Карта распределения глинизации продуктивного разреза (в д.ед.). Месторождение Медвежье. Сеномапская залежь (Н.Ю. Рахбари, 2010)

Видимо, причина подобной зависимости заключается в высвобождении из глинистых отложений поровых маломинерализованных вод, что подтверждается несколькими фактами. К ним относятся:

- совпадение реальных и прогнозных зон распространения вод пониженной минерализации с зонами повышенной глинизации пород;

- устойчивость значений натрий-хлорного коэффициента, характерного водам бассейна осадконакопления (от 0,87 до 0,99);

- повышенное содержание в водах относительно фоновых значений йода - 16-20 мг/дм3 (скв. 612 - 23,5 мг/дм3, скв. 512-24,1 мг/дм3 и др.) и брома, фоновые значения которого составляют - 40-50 мг/дм3, а максимальные - 60-90 мг/дм3 (скв. 10, 308, 524 и др.).

На основании приведенных данных делается вывод о том, что накопление ВРГ происходило в условиях преимущественного распространения в пределах месторождения седиментогенных (в центральных частях месторождения) и поровых вод глинистых отложений (в периферийных частях на заглинизированных бортах Медвежьего вала). Как будет показано далее, эта особенность во многом определила геологическую роль ВРГ в формировании и сохранении месторождения Медвежье.

Впервые выполнена оценка геохимических равновесий между конденсационными и пластовыми водами месторождения Медвежье и отдельными минералами (в расчетах участвовали воды, отобранные до начала и в первые годы разработки залежи). Показано, что конденсационные воды способны растворять соли угольной и кремниевой кислоты, таким образом, способствуя нарушению прочностных свойств пород. Результаты расчетов говорят о том, что существующие в разрезе месторождения отдельные прослои карбонатов подвержены выщелачиванию конденсационными водами, а скудное содержание карбонатов в полифациальном разрезе покурской свиты, возможно, и есть следствие проявленного в геологическом времени гидрохимического разрушения карбонатных включений в терригенных породах (по опубликованным данным карбонатность пород на месторождении Медвежье изменяется от 0 до 0,28; доля образцов с карбонатностью меньше 0,10-0,12 составляет 82-91% (Хохлова М.С., 2004)).

Важно и то, что гидрохимическое выщелачивание солей угольной и кремниевой кислот происходит однонаправлено (Бро Е.Г., 1980 и др.). Это может объяснить не только убогое содержание или отсутствие карбонатов в цементе коллекторов на Медвежьем, но и активно развивающиеся процессы пескования эксплуатационных скважин. Отметим, что наибольшее количество самозадавливающихся скважин установлено на УКПГ-2 и УКПГ-9, где повышена способность конденсационных вод к выщелачиванию солей угольной (а значит и кремниевой) кислоты. Применительно к непосредственной задаче исследований можно сделать вывод о том, что описываемые процессы должны приводить к снижению прочностных свойств песчано-алевролитовых пород, возможно к их обрушению, смыканию глинистых прослоев, т.е. приводить к ухудшению условий продвижения по пластам выделившихся из воды газов.

Иное геохимическое соотношение с породами имеют поровые воды глинистых отложений, которые перенасыщены по отношению к некоторым породообразующим минералам (рис. 2), что можно расценить как фактор дополнительной кольматации бортовых частей Медвежьего вала.

Анализ ВРГ на Медвежьем показал идентичность состава водорастворенного и свободного газов. Состав ВРГ преимущественно метановый, имеет слабую тенденцию к увеличению тяжелых УВ, в нем отсутствуют соединения серы, углекислый газ представлен в небольших количествах. Газонасыщенность пластовых вод сеноманского горизонта при начальном пластовом давлении в залежи (11,012.0 МПа) в приконтактной зоне залежи составляет 2,1 дм3/дм3 на Ныдинской части, в центральных и южных районах Медвежьего -порядка 1,9 дм3/дм3; в отдалении от месторождения газонасыщенность вод и упругость ВРГ ниже (Зорькин Л.М., 1989). Газонасыщенность и состав газа, растворенного в водах верхнева-ланжин-барремского и юрского комплексов, прямо не изучены, однако есть все основания считать, что с глубиной воды недонасыщены УВ газами.

В плиоцен-четвертичное время два глобальных процесса привели к уменьшению пластового давления в мезозойской водонапорной системе Медвежьего вала: снижение уровня моря (Нелюбин В.В., 1971) и общее тектоническое воздымание территории (Чочиа Н. Г.. 1993). В результате этих геологических процессов из вод сеноманских отложений выделились углеводородные газы. Выполненная нами количественная оценка показала, что объемы выделившихся из водорастворенного состояния газов намного превышают геологические запасы газа Медвежьего (табл. 3), но существует серьезное ограничение, не позволяющее признать ВРГ в качестве основного источника формирования этой залежи. Речь идет о коэффициенте газонасыщения, который составляет не менее 1,3. Также были подсчитаны объемы газа, необходимые для достижения порогового газонасыщения (табл. 4). Как оказалось, они превышают те объемы, которые были выделены из вод на последнем крупном этапе тектонической перестройки.

Рисунок 2. - Схема распределения коэффициента насыщения вод карбонатными солями при температуре 40°С и давлении 10 МПа по сеноманекой залежи месторождения Медвежье (Н.Ю.Рахбари, 2010) Условные обозначения: при 5 < 0 нет угрозы выпадения карбонатных солей; при 5 > 0 есть угроза выпадения карбонатных солей.

Таблица 3. - Расчетные объемы газов, выделившихся из водонапорной системы Медвежьего вала в __послеолигоценовое время (Н.Ю.Рахбари, Б.П.Акулинчев, 2011) ___

Комплекс Площадь дегазации, 106 м2* Толщина комплекса, м Пористость, % Газовый фактор, ДМ7 дм Изменения газового дм^/дм^ в нормальных условиях Объемы выделившихся газов, 10 м в нормальных условиях* Объёмный пластовый коэффициент газа Объемы выделившихся газов, 10 м в пластовых условиях

До Размыва После размыва

Апт- сеноманс-кий 2000 1000 25 2,85 2,06 0,79 =400 0,0090 =4

4500 =900 =8

Валанжин-барремский 2000 1500 25 3,20 2,29 0,91 =700 0,0079 ■ =5

4500 =1500 =12

Юрский 2000 2000 25 5,08 2,86 2,22 =2200 0,0061 = 14

4500 =5000 =30

*- в числителе — расчеты, учитывающие площадь в пределах ГВК, в знаменателе - площадь с учетом ближайшего окружения.

Таблица 4. - Оценка количества газа, необходимого для преодоления порогового газонасыщения апт-сеноманского комплекса (Н.Ю.Рахбари, Б.П.Акулинчев, 2011)

Площадь, км" Количество пропластков Мощность пропластков, м Газонасыщенность пласта, Д.ед. Пористость, % Сжимаемость Количество газа для преодоления порогового газонасыщения, м

500-1000 100-300 1-3 0,1-0,3 10-25 0,009 15 1 09-20 1 09

Эти результаты не позволяют считать роль дегазации подземных вод на этапе формирования месторождения в создании ресурсного потенциала промышленно важной. Однако тот факт, что разгазирование подземной гидросферы обеспечивает повышение газонасыщенности пласта в условиях тонкой литологической слоистости разреза, «высвечивает» иную и весьма важную функцию этого процесса. Речь идет о снижении фазовой проницаемости по воде на бортах Медвежьего вала, проявлении (наряду с литологическим) дополнительного газогидродинамического фактора изоляции зоны нефтегазонакопления (какой является центральная часть вала) от крупнейшей водонапорной системы в периоды, благоприятные для восходящих перетоков газа по литологическим окнам за счет снятия геостатической нагрузки при воздымании территории (или при микросейсмических явлениях).

Это значит, что уникальные запасы рассматриваемого месторождения сохранились в геологическом времени по той причине, что Медвежий вал был отсечен от общего гидродинамического потока, направленного с юга на север (и сместившего к северу в зону застойного водообмена бассейна).

При этом надо иметь в виду, что реальное количество газа, которое «застревало» в зонах повышенной глинизации, выше расчетных результатов, поскольку к ним добавляются газы генерируемые глинами самого месторождения, а также растворенные в поровых водах глинистых отложений (независимо даже от их генерационного источника). Важно и то, что поровые воды терригенных отложений растворяют и переоткладывают на границе глин и песчаников породообразующие минералы, формируя своеобразные корки, которые также становятся дополнительными преградами на пути краевых пластовых вод.

На наш взгляд механизм формирования газогидродинамической покрышки реализуется по следующей многократно повторяющейся схеме: выделение газа из подошвенных и краевых вод происходит при снижении давления ниже давления насыщения; выделение газовых и минеральных компонентов из поровых вод глинистых отложений => рассеивание микропузырьков газа по поровому пространству в межглинистых песчано-алевролитовых пропластках => замещение воды газом в крупных порах с оттеснением воды в более мелкие поры => слияние отдельных газовых пузырьков под глинистыми пропластками => медленное их продвижение по направлению восстания глинистых (микро) слоев => разгрузка газовых струек по ближайшему литологическому окну => последующее повторение этого процесса.

На основании выполненных исследований можно утверждать, что вклад дегазации подземных вод в формирование и сохранение в геологическом времени месторождения Медвежье заключается в следующем:

а) в доолигоценовый период геологические запасы месторождения формировались как за счет собственного газопродуцирующего потенциала, так и за счет привно-са УВ транзитным латеральным потоком, направленным с юга Западно-Сибирского бассейна к северу; подземные воды постепенно насыщались УВ газами;

б) в олигоценовое время, когда не только газонасыщенность вод была максимальной, но и часть газа перешла из водорастворенного состояния в свободное, активность поровых вод глинистых отложений приводила к формированию минеральных корок на заглинизированных бортовых частях месторождения, латеральный поток был отрезан; что и обеспечило сохранность от вымывания сформированных к этому времени запасов;

в) в постолигоценовое время большое значение в формировании ресурсного потенциала приобрел вертикальный поток из нижележащих отложений, но учитывая нарастание газоемкости и снижение газонасыщенности вод нельзя предполагать, что источник генерации газов был расположен ниже юрских отложений.

На основании исследований, изложенных в главах 2-4, формулируются первые два защищаемых положения (стр. 4).

ГЛАВА 5. Механизмы и масштабы дегазационных процессов в подземных водах

газовых месторождений

Ключевой проблемой оценки влияния дегазации пластовых вод на формирование месторождений и на режимы их разработки является оценка подвижности газов, выделившихся из пластовых вод в пористую среду при снижении давления ниже давления насыщения. Эта задача, применительно к теме диссертационного исследования, была решена методами экспериментального моделирования. Экспериментальная установка, на которой производилось моделирование, позволяла задавать различные скорости продвижения воды, предельно насыщенной газом, через образцы пород. Технически предусматривалась возможность фиксации начала дегазации вод и определения объемов выделившихся газов.

Эксперименты на однородных и неоднородных насыпных моделях проводились с использованием образцов различной проницаемости, максимально приближенных к условиям месторождения Медвежье (табл. 5).

Таблица 5. - Результаты определения проницаемости (м2) _для насыпных однородных моделей _

Замеры проницаемости Модель А Модель В Модель С

1-ый замер 890 -10"15 680-10"15 430-10"15

2-ой замер 780-10"15 580-10"15 490-10"15

3-ий замер 960-10"15 630-10"15 460-10"15

Среднее значение 880-Ш'5 620-т'5 450-Ю'5

Для каждой модели (А, В и С) давление задавалось единообразно (табл. 6).

Таблица 6. - Значения давлений на входе и выходе модели

Параметры модели 1-ая серия 2-ая серия 3-я серия

Давление на входе, МПа 0,3 0,3 0,3

Перепад давления, МПа 0,004 0,006 0,008

Гидростатическое давление, МПа 0,0135 0,0135 0,0135

Давление на выходе, МПа 0,283 0,281 0,279

Результаты эксперимента по одной литологически однородной модели отражены на рисунке 3.

Рисунок 3. - Модель С (проницаемость 450-10'15 м2). Зависимость объема газа, накопленного в ловушке, от времени при моделировании дегазации вод в условиях различных перепадов давления: а-0,004 МПа; б- 0,006 МПа; в- 0,008 МПа (НЛО. Рахбари, 2007)

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

1. При снижении давления ниже давления насыщения происходит процесс раз-газирования вод, имеющий три характерных периода:

- первый, в течение которого видимых изменений в системе не наблюдается, и за это время накапливаются газы в верхней части модели (под ГВК - в реальных условиях), формируется переходная зона;

- второй, в течение которого происходит активный прорыв газа, причем при меньших перепадах давления этот период более растянут, что вполне естественно;

- третий, четвертый периоды - стабилизация процесса.

Эти периоды процесса наилучшим образом выделяются на графике разгазиро-вания: эксперимент с градиентом давления 0,004 МПа и проницаемостью насыпной модели 450-10"15 м2 (рис. 4). Для каждого эксперимента эти периоды имели собственные временные интервалы, которые, как следует из сути экспериментов, определяются перепадом давления.

Рисунок 4. - Характерные этапы процесса дегазации подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения (Н.Ю. Рахбари, 2007)

2. По мере повышения градиента давления увеличивается объем газа, способного к самостоятельному истечению, но в целом соотношение объема свободного (освободившегося) газа к объему защемленного в водонасыщенной части модели остается весьма незначительным - от 2,8 до 4,0 %. В последующих опытах при больших значениях проницаемости масштаб дегазационных процессов становится достаточно заметным - от 7 до 12 %.

Наиболее эффективно на процесс дегазации вод влияет перепад давления на входе и выходе модели, что отражено в таблице 7, где представлены результаты опытов на модели с проницаемостью 880 -10"15 м2.

Таблица 7. - Расчетные параметры процесса дегазации подошвенных вод при снижении давления ниже давления насыщения (модель А)_

Основные параметры эксперимента Выполненные варианты

880-0,004 880-0,006 880-0,008

1 2 3 4

Давление на входе, МПа 0,3 0,3 0,3

Перепад давления, МПа 0,004 0,006 0,008

Гидростатическое давление, МПа 0,0135 0,0135 0,0135

Давление на выходе, МПа 0,283 0,281 0,279

Выделено из прокачанного объема воды, см3 54,52 52,08 47,86

Объем подвижной фазы в нормальных условиях,% 9,75 11,45 13,95

Объем подвижной фазы в пластовых условиях, см3 3,45 4,25 5,01

Объем неподвижной фазы в пластовых условиях, см3 51,07 47,83 42,85

Газонасыщенность пласта, % 36,1 33,8 30,3

Коэффшдаентдегазад 6,76 8,89 11,69

Для оценки способности газовых микропузырьков к продвижению в предельно газонасыщенной среде без движения воды также был поставлен специальный опыт. Результаты отражены на рис. 5.

Рисунок 5. - Зависимость объема газа, накопленного в ловушке, от времени при моделировании дегазации вод в условиях отсутствия гидродинамического фактора (Н.Ю. Рахбари, 2007)

Из полученных данных видно, что количество свободного газа в ловушке осталось практически постоянным и отличается от начального значения на 0,08 % (на I протяжении 94 часов). Это говорит о том, что без внешнего энергетического воздействия на пласт вертикальная фильтрация газовых пузырей практически отсутствует.

Вторая часть экспериментов была проведена с неоднородными коллекторами, что соответствует условиям слоистости бортовых частей месторождения. Результаты одной из трех серий экспериментов приведены на рисунке 6.

Рисунок 6. - Сравнение хода дегазации вод при снижении давления ниже давления насыщения (проницаемость 620 Ю15 м2) для однородной и неоднородной моделей (Н.Ю. Рахбари, 2007).

Необходимо отметить, что в целом для неоднородных моделей количество газа практически остается прежним, но процесс дегазации увеличивается и перераспределяется во времени, имеет пульсационный характер, и на заключительных этапах выход газа будет происходить более интенсивно.

Следует полагать, что в тех участках месторождения, где литологическая неоднородность (выраженная слоистостью) проявляется сильнее, на заключительных этапах разработки месторождения следует ожидать наибольшего выхода газа из водо-растворенного состояния, чем в зонах литологически более однородных.

Суммируя результаты экспериментальных работ, можно сделать следующие выводы:

1. При снижении давления ниже давления насыщения основной (до 90 % и выше) объем выделившегося из водорастворенного состояния газа в мелкодисперсном состоянии остается в породе.

2. В условиях застойного водообмена продвижение выделившегося из воды газа практически не происходит.

3. Гидродинамическая активность усиливает подвижность мелких газовых пузырьков, приводит к их слиянию друг с другом, а впоследствии и с ранее защемленным газом в локальных участках пласта.

4. Продвижение по пласту газа, перешедшего из водорастворенного состояния в свободное, в условиях литологической неоднородности происходит импульсно; при этом значимого увеличение выхода газа в слоистых коллекторах (по сравнению с однородными) не установлено.

В результате выполненных исследований формулируется 3 защищаемое положение (стр. 5).

ГЛАВА 6. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений

В предшествующей главе методами экспериментального моделирования показана принципиально важная особенность дегазации вод на моделях, приближенных к

•••

с

условиям месторождения Медвежье: от 5 до 15% газов, выделившихся из водорастворенно-го состояния, попадают в залежь, оставшийся газ остается в водонасыщенной части пласта. Вопросы о том, насколько верны подобные оценки и как газы, выделившиеся из пластовых вод, влияют на режим разработки, рассмотрены в настоящей главе на основе использования методики, позволяющей по изменению коэффициента обводнения уточнять начальные запасы газовых месторождений.

Для простоты расчетов аналитические и графические процедуры выполнены автором с использованием программных комплексов Petrel и DV Geo. По данным текущих пластовых давлений, подъема уровня вод можно проследить динамику изменения как объемов газонасыщенных пород (рис. 7), так и объемов обводненных коллекторов (рис. 8) и вод, внедрившихся в залежь (табл. 8). Рисунок 7. - Карта объемов газонасыщенных коллекторов сеноманской залежи месторождения Медвежье (по материалам ООО «Газпром добыча Надым»), Составила Н.Ю. Рахбари; по Ныдинской части расчеты выполнены Ю.И.Яковлевым, 2009.

2002 г

2006 г

Рисунок 8. - Карты объемов обводненных газонасыщенных коллекторов сеноманской залежи месторождения Медвежье (по материалам ООО «Газпром дбыча Надым»). Составила Н.Ю. Рахбари; по Ныдинской части расчеты выполнены Ю.И.Яковлевым, 2009.

На основании данных о газонасьгщенности вод и составе ВРГ месторождения Медвежье (гл. 3, 4) оценено количество газов, которые выделились из вод, внедрившихся в залежь за расчетный период (табл. 8).

Таблица 8. - Объемы вод, внедрившихся в залежь и выделившиеся из нее суммарные (кумулятивные) объемы газов (за период 2002-2006)

УКПГ К з —млрд.м

2002 2003 2004 2005 2006

1 0,553 0,595 0,630 0,641 0.658

1,3 1,5 1,6 1,7 1,7

0,392 0.401 0.404 0.411 0.436

0,9 1,0 1,0 1,0 1,1

3 0,653 0,665 0,674 0,685 0.801

1,6 1,7 1,7 1,8 2,1

0.610 0.641 0.675 0,691 0.757

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9

0,369 0,385 0,408 0.44 0,451

0,9 1,0 1,0 1,1 1,2

0.414 М18 0.425 0.431 0.453

1,1 1,1 1,1 1,2 1,2

0.205 0,219 0.225 0.232 0,305

0,5 0,6 0,6 0,6 0,8

0.236 0,236 0.25 0,262 0,266

0,5 0,5 0,6 0,6 0,6

0,39 0.436 0.458 0,473 0,523

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Всего 3.823 3,996 4.149 4.266 4,648

9,3 9,9 10,5 11,0 12,2

В таблице 9 приведено соотношение выделившихся газов к объему остаточных запасов газа. Как видно из таблицы, ВРГ составляют лишь небольшую часть от остаточных запасов газа, что нашло подтверждение и в результатах проведенного эксперимента. Вполне очевидно, что этот газ не имеет промышленного значения.

Таблица 9. - Доля газов, выделившихся из водорастворенного состояния,

УКПГ Доля С)вг в <3С ст, %

2002 2003 2004 2005 2006

1 4,0 5,0 6,1 6,9 7,8

2 3,1 3,8 4,0 4,5 5,5

3 10,0 11,5 13,2 16,4 21,4

4 4,8 5,9 7,2 7,9 10,5

5 3,4 3,9 4,8 5,9 6,7

6 8,3 9,2 11,0 11,9 14,2

7 2,2 2,6 2,9 3,3 5,7

8 0,8 0,9 1,0 1,2 1,3

9 1,2 1,6 1,9 2,2 2,8

Всего 2,9 3,5 4,1 4,7 5,8

Основной объем выделившихся из водорастворенного состояния газов остается в пласте и снижает, таким образом, фазовую проницаемость пород по воде, что является положительным фактором. Подтверждением служат построенные эпюры поднятия ГВК (рис. 9). Но часть ВРГ под воздействием техногенной геодинамики, может попадать непосредственно в залежь.

Рисунок 9. - Схема подъема ГВК на месторождении Медвежье за период 19852005 гг. На карте врезке положение скважин на Ныдипской части месторождения (по материалам ООО «Газпром добыча Надым»). Составила НЛО. Рахбари, 2006).

Конденсационная вода при этом будет «подтачивать» тонкие протоки, создавая дополнительные условия для разгазирования. Чем менее заглинизирован разрез и чем длительнее разрабатывалась соответствующая часть месторождения, тем в большей степени газы, выделившиеся из водорастворенного состояния будут способны к перемещению из порового пространства непосредственно в залежь.

Сопоставлены запасы газа месторождения Медвежье на 01.01.1999 г. с начальными запасами, рассчитанными с учетом процессов дегазации, т.е. выделившихся газов из водорастворенного состояния. Выявлены некоторые расхождения в величинах запасов, рассчитанных разными методами. Положительные невязки в расчетах по варианту с учетом выделившихся из вод газов возникли на тех участках залежи, где фиксируется наибольший перепад пластового давления.

В результате выполненных исследований формулируется 4 защищаемое положение (стр. 5).

В рамках настоящего диссертационного исследования вопрос о роли процессов выделения газа при снижении пластового давления ниже давления насыщения, как в геологических, так и промысловых условиях ставился и решался применительно к месторождению Медвежье. Получены следующие результаты (табл. 10).

80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таблица 10. - Основные результаты диссертационной работы

Поставленные задачи Полученные результаты

1. Анализ влияния геологических факторов на дегазационные процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье. Наибольшее влияние на дегазационные процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье оказали восходящие тектонические движения в олигоцене и сопутствующий размыв верхних частей разреза, что привело к выделению из вод сеноманского комплекса порядка В трлн. м3 газа. Важную роль также сыграли связанные воды заглинизированных бортов Медвежьего вала, геологическая деятельность которых привела к распреснению и повышению газоемкости пластовых вод.

2. Обоснование роли газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в формировании месторождения Медвежье. Роль процессов дегазации природных пластовых вод на этапе геологического развития Медвежьего вала сводится к созданию дополнительных (к литологическим) условий изоляции приуроченной к валу зоны газонакопления от крупнейшей водонапорной системы, т.е. к созданию благоприятных условий газонакопления. Разбуривание заглинизированных бортов месторождения может привести к резкому повышению гидродинамической активности водонапорной системы, окружающей залежь.

3. Экспериментальная оценка подвижности газов, выделившихся в пористой среде из подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения. Гидродинамическая активность усиливает подвижность мелких газовых пузырьков, приводит к их слиянию друг с другом, а впоследствии и с ранее защемленным газом в локальных участках пласта. Объем газов, выделившихся из водорастворенного состояния и покинувших модель, не превышает 12% от общего количества газа в модели. Слоистость не влияет на масштабы дегазационных процессов, но приводит к более позднему их проявлению, что в геологическом плане стало благоприятным фактором сохранности газовых скоплений, а на промысловом этапе «оттянуло» время начала обводнения эксплуатационных скважин.

4. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений. Доля таких газов в целом признана несущественной (не более 10-15 % от объема остаточных запасов), однако по мере снижения остаточных запасов, доля выделившихся из воды газов в данном объеме будет возрастать (до 15-20% при снижении пластового давления до 1,0-1,5 МПа).

Основными задачами дальнейших исследований надо считать развитие направлений по изучению скорости растворения газов в подземных водах в условиях пористой среды, региональных проявлений зон газогеохимической инверсии пластовых вод осадочных нефтегазоносных бассейнов, времени и условий сохранности вод, перенасыщенных газом, при различных термобарических условиях, влияния геофизических полей на растворимость в воде и выделения из вод природных газов различного

состава, возможности продвижения свободного газа в условиях недонасыщешюсти газами гшастовых вод; проведению замеров реальных давлений в подошвенной водоносной части эксплуатирующихся месторождений, условий высвобождения газов из диспершровашюго состояния в свободное. С решением этих важных вопросов автор связывает свои дальнейшие научные планы.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах: В изданиях ВАК:

1. Яковлев Ю.И., Рахбари НЛО. Оценка объемов защемленного газа на основе анализа коэффициентов обводнения газовых залежей. Естественные и технические науки. Москва. 2008. С. 172-176.

2. Яковлев Ю.И., Сотникова Н.Ю. Технология оценки объемов защемленного газа на основе анализа коэффициентов обводнения газовых залежей. Геология, география и глобальная энергия. Москва. 2010. №1. С. 91-95.

3. Акулинчев Б.П., Рахбари Н.Ю. О механизмах взаимовлияния подземных вод и залежей нефти и газа. Г еология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. Москва. 2010. №8. С.ЗЗ - 40.

4. Рахбари Н.Ю. Экспериментальная модель разгазироваиия предельно насыщенных вод в пористой среде при пластовом давлении ниже давления насыщения. Современные проблемы науки и образования. Москва. 2011. № 4.

В других научных изданиях:

5. Сотникова Н.Ю, Геологическая модель и оценка объемов защемленного и водорастворенного газа в обводненной зоне месторождения Медвежьего / Тезисы докл. "Третьей Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле». Новосибирск. 2006. С. 123-124.

6. Рахбари НЛО. Экспериментальное моделирование процесса дегазации подошвенных вод крупных газовых месторождений на заключительных этапах их эксплуатации / Сб. Международной конференции «Гидрогеология в начале XXI века». Новочеркасск. 2007. С. 48-59.

7. Рахбари Н.Ю. Физическое моделирование дегазации пластовых вод при снижении давления ниже давления насыщения (применительно к режиму разработки газовых месторождений) / Сб. Всероссийской научной конференции, посвященной 85-лстию А.А.Карцева. Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и прикладные вопросы). 2010. С.320 — 324.

8. Акулинчев Б.П., Рахбари Н.Ю. О возможных механизмах взаимодействия подземных вод с залежами нефти и газа / Сб. Всероссийской научной конференции, посвященной 85-летию А.А.Карцева. Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и прикладные вопросы). 2010. С. 238-243.

9. Акулинчев Б.П., Рахбари НЛО. Механизм взаимодействия водораство-репных и свободных газов в процессе формирования залежей углеводородов. Георс-сурсы. Геоэнергетика. Геополитика. 2011 №2 (4).

Подписало в печать: 23.01.2012

Заказ № 6540 Тираж -150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499)788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Рахбари, Наталья Юрьевна, Москва

61 12-4/52

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ НЕФТИ И ГАЗА

На правах рукописи

РАХБАРИ НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

Роль водорастворенных газов в формировании и процессах разработки газовых месторождений со слоистыми коллекторами (на примере месторождения Медвежье)

Специальность 25.00.12 - Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: д.г.-м.н. Л.А.Абукова

Москва, 2012

Содержание

Введение..........................................................................................4

Глава 1. Обзор изученности роли дегазации подземных вод в процессах

формирования и разработки газовых месторождений..................................9

Глава 2. Основные теоретические и методические положения изучения процесса дегазации подземных вод при формировании и разработке газовых

месторождений................................................................................20

Глава 3. Общая характеристика газового месторождения

Медвежье.......................................................................................36

3.1. Литолого-стратиграфическая характеристика

месторождения.............................................................................37

3.2. Тектонические условия месторождения.........................................43

3.3. Геохимическая характеристика свободного газа..............................48

3.4. История разработки месторождения.............................................48

Глава 4. Гидрогеологические условия месторождения Медвежье на этапе его формирования.................................................................................54

4.1. Строение и общая характеристика водонапорной системы месторождения............................................................................54

4.2. Гидродинамические условия месторождения.................................57

4.3. Ионно-солевой состав подземных вод. Генетические составляющие попутных вод месторождения

Медвежье....................................................................................62

4.4. Характеристика водорастворенных газов месторождения

Медвежье....................................................................................85

4.5. Оценка роли водорастворенных газов в формировании месторождения Медвежье...............................................................88

Глава 5. Механизмы и масштабы дегазационных процессов в

подземных водах газовых месторождений...............................................98

5.1. Экспериментальное моделирование продвижения растворенного газа в однородных коллекторах при понижении давления ниже давления насыщения................................................................................102

5.2. Экспериментальное моделирование продвижения растворенного газа в неоднородных коллекторах при понижении давления ниже давления насыщения................................................................................118

Глава 6. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме

остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений...............125

Заключение....................................................................................145

Список публикаций.........................................................................148

Список использованной литературы....................................................150

Табличные приложения........................... .........................................170

Введение

Актуальность темы. Общеизвестно, что объемы свободных газов составляют незначительную долю от общих объемов водорастворенных газов (ВРГ) литосферы. Только в Западно-Сибирском нефтегазоносном мегабассейне общее

о

количество ВРГ в пластовых водах превышает 1000 трлн. м . Несмотря на это, вопрос о роли ВРГ в формировании и разработке газовых месторождений до настоящего времени остается дискуссионным. Слабо изученны особенности состава ВРГ в различных нефтегазоносных бассейнах, степень и механизмы их участия в формировании нефтяных и газовых залежей, масштабы дегазационных процессов в пластовых водах при изменении термобарических условий и воздействии сейсмических факторов. Применительно к этапу эксплуатации газовых месторождений обсуждаются вопросы влияния дегазации подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения на режимы разработки и подпитку дренированных запасов углеводородов. Таким образом, исследование дегазационных процессов в подземной гидросфере, происходящих в природных и техногенных условиях на газовых месторождениях, несомненно, является актуальной научно-практической проблемой.

Цель настоящей работы - оценка роли дегазации подземных вод в слоистых коллекторах в формировании и процессах разработки газовых месторождений (на примере месторождения Медвежье).

Правомочность цели исследований определяется тем, что к изучению поставленных задач были привлечены материалы по геологии, гидрогеологии, геодинамике, геохимии, геофизике одного и того же геологического объекта -месторождения Медвежье, где механизмы разгазирования подземных вод на всех этапах «жизненного цикла» физически идентичны.

Объект исследования. Месторождение Медвежье выбрано в качестве объекта исследований по следующим обстоятельствам.

1. Природный фон газонасыщенности на месторождении Медвежье значительно выше, чем на многих других месторождениях севера Западной Сибири,

поэтому дегазационные процессы здесь имели место, как на начальных этапах формирования этого месторождения, так и в период его разработки.

2. Характерной особенностью геологического разреза месторождения Медвежье является слоистость: тонкое чередование глинистых и песчаных про-пластков. Подобное строение разреза должно способствовать усилению дегазационных процессов. Влияние этого фактора на процессы разгазирования подземных вод в активно разрабатывающихся газоносных регионах практически не изучено.

Задачи исследования:

1. Анализ влияния геологических факторов на дегазационные процессы в водонапорной системе месторождения Медвежье.

2. Обоснование роли газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в формировании месторождения Медвежье.

3. Экспериментальная оценка подвижности газов, выделившихся в пористой среде из подземных вод при снижении давления ниже давления насыщения.

4. Оценка доли газов, выделившихся из пластовых вод, в объеме остаточных газов в процессе разработки газовых месторождений.

Объекты исследования: а) физическая система "водорастворенный газ - защемленный газ - свободный газ"; б) геологический объект - сеноманская газовая залежь месторождения Медвежье.

Материалы исследования были собраны по литературным и фондовым источникам, а также получены в результате экспериментального моделирования продвижения водорастворенного и защемленного газа в неоднородных терри-генных коллекторах при понижении давления ниже давления насыщения.

Методы исследования:

> Традиционные методы анализа геологической информации.

> Методы экспериментального моделирования.

> Компьютерная обработка материалов в программных пакетах.

Аппаратура: специально созданная установка, составными частями которой служат насыпная модель пласта, двухкамерный пресс с блоком электронного управления, два ручных пресса для воды и для газа, газовый баллон, редуктор, смесительный бак, образцовые манометры, «газовая ловушка», сигнализатор газа, сепаратор, газометр.

Программные комплексы: программные пакеты Petrel, DV-Geo, Corel Draw.

Научная новизна:

1. Доказано, что главная роль дегазации пластовых вод в тонкослоистых коллекторах месторождения Медвежье состоит в усилении изолирующих свойств его периферийных заглинизированных частей. Переход мельчайших пузырьков газа из водорастворенного состояния в свободное резко снижает относительную фазовую проницаемость по воде, обеспечивает сохранность уникальной по размерам сеноманской залежи в течение новейшей геологической истории.

2. Установлено, что объем газов, выделившихся из водорастворенного состояния и попавших в залежь, не превышает 10-15 % от объема свободного газа в сеноманской залежи; основная их часть пополнила запасы залежи в процессе олигоценового воздымания Медвежьего вала.

3. Уточнены фоновые значения минерализации и химический состав пластовых и конденсационных вод месторождения Медвежье, что важно для корректной оценки масштабов дегазационных процессов.

4. Выявлена геохимическая агрессивность конденсационных вод по отношению к породам коллекторов, что может рассматриваться как одна из геологических причин пескования эксплуатационных скважин.

5. Экспериментально доказана низкая миграционная способность выделившихся из водорастворенного состояния газов на этапе разработки.

6. Экспериментально установлены различия процессов дегазации в однородных и неоднородных коллекторах: показано, что неоднородность раз-

реза ведет к сдвигу по времени начала свободного продвижения газовых пузырьков в пористой среде.

7. Оценены объемы обводненных газонасыщенных коллекторов сено-манской залежи, рассчитаны объемы УВ-газов, выделившихся из пластовых вод месторождения Медвежье при снижении давления ниже давления насыщения в процессе разработки.

8. Определена доля выделившихся из пластовых вод газов в объеме остаточных газов на заключительных этапах разработки месторождения Медвежье.

Практическая ценность работы. Результаты исследований рекомендуются к использованию при обосновании проектных решений по оптимизации добычи УВ, в частности при определении мест заложения новых скважин на Медвежьем и других газовых месторождениях с длительной историей эксплуатации.

Защищаемые положения:

1. Обособление газообразных УВ из пластовых вод на заглинизиро-ванных бортах Медвежьего вала, наиболее активно проявившееся в олигоцене, явилось важным газогидродинамическим фактором изоляции месторождения от водонапорной системы и обеспечения сохранности его уникальных запасов.

2. Конденсационные воды месторождения способствуют растворению солей угольной и кремниевой кислоты, что на заключительных этапах эксплуатации месторождения может ухудшать условия продвижения газов, выделившихся из подземных вод, а также приводить к пескованию эксплуатационных скважин.

3. Выделившиеся из водорастворенного состояния газы в виде мельчайших дисперсно рассеянных пузырьков способны к продвижению только в гидродинамически активной среде; литологическая неоднородность (слоистость) приводит не к уменьшению масштабов дегазации, а к ее сдвигу по времени, усиливает пульсационный характер этого процесса.

4. На месторождении Медвежье к настоящему времени доля газов, выделившихся из водорастворенного состояния, в составе остаточных газов составляет 10-15 %, однако, по мере снижения остаточных запасов она будет возрастать (до 15-20% при снижении пластового давления до 1,0-1,5 МПа).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Содержит 218 страниц машинописного текста, включая 39 рисунков, 48 таблиц. Список литературы содержит 165 наименований.

Ключевые слова: водорастворенный газ, защемленный газ, остаточный газ, пластовое давление, обводнение продуктивного пласта, минерализация, химический состав подземных вод, газовое месторождение Медвежье.

Благодарности. Работа выполнена в Институте проблем нефти и газа РАН. Автор считает своим долгом поблагодарить директора академика А.Н. Дмитриевского, зам. директора В.М. Максимова, ученого секретаря института Св.А. Сидоренко, ученого секретаря Диссертационного Совета М.Н. Баганову за предоставленную возможность работы над диссертацией, Ю.И. Яковлева, Б.П. Акулинчева, О.П. Абрамову Ф.С. Ульмасвая, В.Л. Шустера, С.Н.Закирова за профессиональные советы и практическую помощь. Искренняя признательность сотрудникам НТЦ ООО «Газпром добыча Надым», а также ООО "Газпром ВНИИГАЗ" Н.Г. Паршиковой, Н.С. Полуэктовой за консультации и ценные замечания. Особая благодарность руководителю диссертации Л.А. Абуко-вой за постоянное внимание и поддержку.

ГЛАВА 1. Обзор изученности роли дегазации подземных вод в процессах формирования и разработки газовых месторождений

Начало изучения водораствореиных газов нефтегазоносных бассейнов положено В.И.Вернадским, в работах которого неоднократно подчеркивалось единство природных вод и растворенных в них газов [22 и др.]. В частности, он как самостоятельную иерархическую единицу в общей классификации природных газов Земли выделил «жидкие растворы газов» [22].

Развитие идей В.И.Вернадского получило воплощение в классификации газов В.В.Белоусова, в основе которой лежит генетический признак (воздушные, биохимические, химические и радиоактивные газы). В дальнейших классификационных разработках по структуре газовой составляющей недр учтены условия нахождения газов, их химический состав, преобладание газовых компонентов и др. (Л.М.Зорькин, А.А.Карцев, А.Л.Козлов, С.П.Максимов, В.А.Соколов, М.И.Суббота, В.Г.Хлопин, А.А.Черепенников и др.).

Расширение представлений о водораствореиных газах требовало детального изучения их состава, процессов взаимодействия с ионно-солевыми компонентами вод, условий газообразования и выявления диагностических характеристик для определения генетической принадлежности газов.

Во второй половине XX века большой вклад в развитие научных представлений о генезисе, составе, условиях образования и накопления ВРГ внесли Л.А.Абукова, БЛ.Акулинчев, С.Б.Вагин, Ю.Н.Васильев, Ю.П. Гаттенбергер, М.С.Гуревич, М.И.Зайдельсон, А.С.Зингер, Л.М.Зорькин, Л.Н.Капченко, А.А.Карцев, А.Л.Козлов, В.Н.Корценштейн, Н.М.Кругликов, А.Р.Курчиков, А.Н.Лапердин, В.М.Матусевич, А.Ю.Намиот, В.В.Нелюбин, А.М.Никаноров, А.С.Панченко, Дж.Роджерс, В.П.Савченко, О.И.Серебряков, Е.В.Стадник., М.И.Суббота, Г.М.Сухарев, Р.Фишер, О.Н.Яковлев, Ю.И.Яковлев, В.П.Якуцени и многие другие исследователи.

В общетеоретическом ключе большое значение имели выводы ряда авторов о характерном газовом режиме инфильтрационных и седиментационных вод, условиях и источниках поступления в них кислорода, водорода, азота, сероводорода, гелия, углеводородных газов, связи ВРГ с органическим веществом пород. В частности Ю.В.Мухин, Л.Н.Капченко оценивали масштабы накопления УВ в подземных водах в зависимости от типа и концентрации ОВ пород [53, 93], В.А.Кудряков, Е.А.Барс исследовали зависимость газовой составляющей вод от типа и количества водорастворенного органического вещества [И, 12, 109, 72].

Показано влияние термобарических и гидрохимических условий осадочных бассейнов для накопления в подземных водах ВРГ [49, 54, 62, 63, 69 и др.]. Серьезное значение для обоснования перспектив нефтегазоносности больших глубин имеют доказательства того, что при определенных значениях температуры и пластовых давлений газоемкость подземных вод многократно возрастает [8, 9, 10, 23 и др.]. Это, в свою очередь, послужило основой изучения водорас-творенных газов в качестве нетрадиционного энергетического источника [1, 44, 52, 165 и др.].

Большой пласт научной литературы посвящен использованию сведений об общем объеме растворенного в воде газа, его упругости и составе в качестве диагностических критериев регионального, зонального и локального прогноза нефтегазоносности недр, как для древних, так и молодых платформ. Доказано, что для нефтегазоносных территорий характерен преимущественно углеводородный состав газа (метан и его гомологи), а также присутствие углекислого газа и азота [49, 54, 62, 69,156 и др.].

К настоящему времени установлены закономерности регионального и зонального газонасыщения подземных вод, особенности газового режима подземных вод всех крупных нефтегазоносных бассейнов России.

История изучения газов, растворенных в подземных водах Западной Сибири, на наш взгляд, может быть разделена на 4 основных этапа.

На первом этапе, который можно условно датировать началом послевоенного возрождения народного хозяйства СССР, был проведен большой объем гидрогеологических изысканий в связи с общим геологическим изучением недр Сибири, гидрогеологическим картированием подземных вод глубоких горизонтов.

В довоенное время активное изучение газовой составляющей подземных вод проводили такие исследователи, как М.С.Гуревич, А.А.Козырев, М.И.Кучин, Я.С.Эдельштейн [30].

Второй период (50-70-е года прошлого столетия) был связан с резким увеличением объемов геологоразведочных работ на нефть и газ. Было пробурено более 20 опорных скважин, в которых проводилось гидрогеологическое опробование, при этом изучался химический состав вод и водорастворенных газов, гидродинамические условия. В эти годы усилился интерес к нефтегазопоиско-вой гидрогеологии, в том числе к вопросам накопления в подземных водах углеводородных газов. Не только гидрогеологи (М.С.Гуревич, Б.Ф.Маврицкий, В.В.Нелюбин А.А.Розин, Б.П.Ставицкий), но и геологи-нефтяники (А.А.Конторович, И.И.Нестеров, Ф.К.Салманов) стали изучать химический и газовый состав подземных вод [143, 82, 68]. Так, М.С. Гуревич впервые установил газогидрохимическую зональность Западно-Сибирского артезианского бассейна. В обобщающей работе «Гидрогеология СССР, т. 16» было дано описание водорастворенных газов З