Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Струйные ореолы рассеяния нефтегазовых месторождений в неоднородных горных породах и их изучение геоэлектрохимическими методами

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Струйные ореолы рассеяния нефтегазовых месторождений в неоднородных горных породах и их изучение геоэлектрохимическими методами"

На правах рукописи

Чжоу Цзыюн

од

СТРУЙНЫЕ ОРЕОЛЫ РАССЕЯНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В НЕОДНОРОДНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ИХ ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков

и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Путиков Олег Федорович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Комаров Владимир Александрович

кандидат геолого-минералогических наук, с.н.с.

Яковлев Олег Николаевич

Ведущее предприятие: Всероссийский институт разведочной геофизики им.А.А.Логачева «ВИРГ -Рудгеофизика»

Защита диссертации состоится 19 мая 2000 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 063.15.02 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 7320 .

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

Автореферат разослан __Р^/- 2000 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.Г-М.Н., доцент А.Г.МАРЧЕНКО

¡'¿'З. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы в России исследованы возможности применения геоэлектрохимических методов ЧИМ, МПФ, ТМГМ и МДИ при поисках нефтегазовых месторождений. Ставилась задача создания на базе геоэлектрохимических методов основ новой технологии поисков, которая смогла бы в значительной мере упростить процесс выявления и оценки нефтегазовых месторождений, а так же сократить объемы нефтепоискового бурения (Вешев С.А., Ворошилов H.A., Алексеев С.Г., 1994 г.)]. Применение геоэлектрохимических методов для исследования нефтегазовых месторождений выявило наличие над нефтегазовыми залежами струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов. Установлено, что эти ореолы имеют важную особенность: существование аномально высокой концентрации тяжелых металлов вблизи контура проекции нефтяной залежи на дневную поверхность. Использование этой особенности позволяет определять нефтено-ность структур и размер нефтяной залежи.

Однако, при использовании геоэлектрохимических методов с целью поисков нефтегазовых месторождений возникают проблемы, которые необходимо решить. Эти проблемы заключается в следующем.

1) Недостаточно изучен механизм формирования струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов над нефтяными залежами.

Явление струйных ореолов впервые установлено над рудными телами и экспериментально и теоретически изучено рядом исследователей (Рысс Ю.С, 1987 к, Путиков О.Ф и др., 1994 г.) Путиков О.Ф и Духанин A.C. предложили механизм формирования струйных ореолов над рудными телами. Согласно их точке зрения, формирование струйных ореолов над рудными телами связанно с близвертикаль-ным движением микропузырьков газа в горных породах. Что касается механизма формирования струйных ореолов над нефтегазовыми

залежами, то в настоящее время этот эффект изучен очень слабо. В Санкт-Петербургском государственном горном институте выполнены лабораторные эксперименты по моделированию одномерного переноса металла (урана) пузырьками воздуха. Результаты экспериментов указывают на возможность переноса металла (урана) под действием движения пузырьков воздуха (Вэнь Байхун, Путиков О.Ф., 1998 г.). Однако, в этих экспериментах не исследованы особенности пространственного рассеяния металла на поверхности моделируемой среды, что имеет очень важное значение для изучения струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами.

2) Не разработано теоретическое обоснование структуры (строения) струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами.

О.Ф. Путиков и его сотрудники разработали физико-математическую модель струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов нефтегазовых залежей в однородных вмещающих породах. Такое идеальное состояние в практике встречается редко. В связи с этим необходимо создать физико-математическую модель струйных ореолов в неоднородных вмещающих породах. При этом необходимо учесть статистические результаты, полученные при интерпретации полевых геоэлектрохимических данных. Необходимо также выяснить, возможно ли проведение интерпретации полевых данных для конкретных нефтегазовых месторождений и получение их физических и геометрических параметров путем решения обратной задачи геоэлектрохимических методов.

3) Не изучена зональность геоэлектрохимических аномалий, т.е. различие формы геоэлектрохимических аномалии для разных химических элементов.

В результате использования геоэлектрохимических методов на нефтегазовых месторождениях показано, что для одного и того же метода положения максимумов концентрации разных тяжелых металлов иногда не совпадают. Например, находятся на различном

расстоянии от проекции контура нефтяной залежи на дневную поверхность. А для одного и того же элемента вид аномалий, полученных разными геоэлектрохимическими методами, так же может различаться.

В настоящее время отсутствует удовлетворительное объяснение этого явления.

Цель и задачи работы

1) Сбор материалов, необходимых разработки физико-геологической модели формирования струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения металлов над нефтегазовыми залежами.

2) Разработка методики численного компьютерного моделирования ореолов рассеяния тяжелых металлов из нефтегазовых залежи (и таким образом, решения прямых задач) на основе физико-математической модели струйных ореолов рассеяния в слоистых средах, созданной научным руководителем О.Ф. Путиковым с участием автора. Изучение зависимости строения струйных ореолов рассеяния над нефтегазовыми залежами от их физических и геометрических параметров.

3) Проведение лабораторного физико-химического моделирования одномерного и двухмерного переноса металлов под действием движения пузырьков воздуха.

4) Обоснование использования вышеупомянутых физико-математических моделей при интерпретации полевых геоэлектрохимических данных с целью решения задач поисков нефтегазовых месторождений.

Методы исследования. При решении вышеперечисленных задач применены экспериментальные и аналитические методы исследования. Выполнено физико-химическое лабораторное моделирование одномерного и двухмерного переноса тяжелых металлов в пористых, насыщенных раствором системах под действием подвижных пузырьков воздуха в научно-исследовательской лаборатории

геоэлектрохимических методов разведки МПИ Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета). Теоретические расчеты проведены на компьютере Р-166 ММХ с помощью систем Microsoft Word 97, Excel 97, Mathcad и Surfer.

Научная новизна исследований состоит в следующем.

1) Разработка методики численного компьютерного моделирования ореолов рассеяния тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами (и таким образом, решения прямых задач) на основе физико-математической модели струйных ореолов рассеяния в слоистых средах, созданной научным руководителем О.Ф. Путиковым с участием автора. Исследование зависимости строения струйных ореолов рассеяния от физических и геометрических параметров нефтяной залежи.

2) Впервые в лаборатории проведено моделирование двухмерного переноса металлов меди и марганца пузырьками воздуха.

3) Предложена методика интерпретации полевых геоэлектрохимических данных, позволяющая оценивать параметры искомых нефтяных залежей.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием современных высокочувствительных аналитических средств и достаточным объемом экспериментов при физико-химическом моделировании струйных ореолов, а также достаточной корректностью использования математического аппарата численного анализа при теоретическом исследовании.

Практическая значимость работы

1) Разработанные физико-геологические модели струйных ореолов над нефтяными залежами могут быть использованы для объяснения механизма формирования этих ореолов и их особенностей.

2) Выполненные исследования физико-математических моделей струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами позволяют выяснить зависимость строения струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами от физических и геометрических параметров нефтяных залежей и на этом основании уточнить методику полевых исследований.

3) Предложенная автором методика интерпретации геоэлектрохимических аномалий может быть применена для интерпретации практических полевых геоэлектрохимических данных.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 1998г., 1999г.), на Четвертой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1999г.), на Международной конференции молодых ученых и специалистов «ГЕОФИЗИКА 99» (Санкт-Петербург, 1999г.).

Работа над диссертацией включена в научный проект по теме "Теоретико-экспериментальное обоснование использования струйных ореолов рассеяния для прогноза и поисков нефтегазовых месторождений геоэлектрохимическими методами" в рамках программы "Университеты России" (1998 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, защищаемых положений, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Основная часть работы содержит 146 страниц текста, 64 рисунка и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 90 наименования.

Работа по теме диссертации выполнена на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки СПбГГИ под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора О.Ф.Путикова, которому автор выражает свою искреннюю благо-

7

дарность. Большую помощь при проведении работы, сборе материалов и обсуждении вопросов оказали проф. А.А.Молчанов, проф.

B.Х.Захаров, н.с. К.В.Блинов и научные сотрудники института ВИРГ-Рудгеофизика, в особенности, С.А.Вешев, Н.А.Ворошилов,

C.Г.Алексеев, К.И.Степанов, К.В.Титов и другие. Всем им автор признателен. В заключение автор выражает свою большую благодарность H.A. Касьянковой, которая оказала автору очень большую помощь при проведении экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено современное состояние исследований по геоэлектрохимическим методам и физико-химическим основам струйных ореолов рассеяния над нефтегазовыми залежами.

Во второй главе изложена физико-геологическая модель формирования струйных ореолов рассеяния над нефтегазовыми залежами. Изучены физико-математические модели струйных ореолов рассеяния над нефтегазовыми залежами в неоднородных вмещающих породах. Рассмотрена зависимость строения струйных ореолов от физических и геометрических параметров геологического разреза.

В третьей главе представлены результаты моделирования одномерного переноса меди в вертикальной трубке и двухмерного переноса марганца и меди в сосуде, имеющем форму параллелепипеда, связанные с движением пузырьков воздуха. Изложено сопоставление экспериментальных данных с теоретическими данными.

Четвертая глава посвящена развитию методов интерпретации геоэлектрохимических данных метода МПФ, полученных ВИРГом в Западно-Сибирской и Волго-Уральской нефтегазоносных провинциях, использованию физико-математических моделей струйных ореолов рассеяния над нефтегазовыми залежами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Первое защищаемое положение

В неоднородных (слоистых) горных породах струйные ореолы рассеяния тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами имеют следующие основные особенности:

а) в вертикальном разрезе - расширение ореола в пластах с относительно низким значением параметра струйности к=у/(2В), где V - вертикальная скорость квазиконвекции в пласте, Б - коэффициент диффузии металла в нем, и сужение ореола в пластах с относительно высоким значением параметра к;

б) немонотонное изменение максимума концентрации с увеличением вертикального расстояния от нефтегазовой залежи в зависимости от соотношения параметров струйности соседних пластов.

Концентрация С(г, г) подвижной формы металла над нефтегазовой залежью радиуса Го, находящейся в плоскости г=0 в однородных вмещающих породах подчиняется стационарному диффузионно-квазиконвективному дифференциальному уравнению с источником мощностью ц при г=0, г=г0, которое разработано О.Ф. Путико-вым. Наличие источников подвижных форм металла по периметру залежи радиуса г0 обусловлено наиболее благоприятными условиями их формирования (контакта нефть - вода, наличие ПАВ, развитием близвертикальных зон трещиноватости и др.). Уравнение в цилиндрических координатах (г, г), где ось г направлена вертикально вверх, с учетом осевой симметрии принимает вид

д2С дгС 1 дС ^¿С л

+ + --12. + $(г-г0Щг) = 0, (1)

ск дг г дг И ск О

где О, уЭфф - коэффициент диффузии и эффективная скорость переноса подвижной формы металла во вмещающих породах соответственно, 6(2) - дельта-функция Дирака, определяемая соотношениями

Ссо,х = О [0,х Ф О Краевые условия имеют вид

оэ

и |<?(х)& = 1.

(2)

ч

= 0,

(За) (Зб)

Аналитическое решение уравнение (1) при условиях (За), (36) имеет вид интеграла от выражения, содержащего функции Бесселя от действительного аргумента.

Концентрация в струйном ореоле подвижных форм металла над нефтегазовыми залежами в двухслойных вмещающих породах может быть выражена физико-математической моделью, созданной научным руководителем О.Ф. Путиковым с участием автора:

дгСх дгСх 1 ¿С,

<£2 д2С.

• +

а-2

дгс,

+-

г 31 дС,

Д ¿к Д

дг'

- + —

г дг Э, ск

(5)

где Сь С2 - концентрация подвижных форм металла в нижнем пласте и в верхнем пласте, Оь Бг и Уц у2 - коэффициент диффузии и скорость квазиконвекции соответственно в нижнем пласте и в верхнем пласте вмещающих пород.

Граничные условия:

= С

г=Н 21 г=Я'

д 2

2=Н

д С д 2

(6) (7)

2=Н

где Н - расстояние от нефтяной залежи до границы раздела слоев.

Условия на бесконечности - нулевые:

(8а) > (**)

С2ис->0 , (9а) С2|мв->0 . (9*)

Решения уравнений (4), (5) при условиях (6) - (9), полученные методом интегральных преобразований, имеют вид:

у 2Д С2 '.е-Ч^е-РЬ-тЫ

Г2 = —^ = 2 Г---*^(-хУ0(х)хсЬс,

<7 0 ) г0

Н < г < да (10)

+-

*

М +х2 ^ ^^Р')

го

0<г<Н, (11)

О,

где ^(а*,/Г) = 2{цг -//,) + а2* +—2-0* , у/2{ах,р*) = 2(//, -//2) + а,*-у?* ,

* / 2 2~ * I 2 2~ п* I 2

^1 2Д 2 2Д 11

* 2

-а, —

Аналогично, дифференциальные уравнения для поровой концентрации подвижных форм металла в трехслойных вмещающих породах примут вид:

дгСх д2Сх 1 дСх V, дСх ? ..

——+---—!--+—8{г

а-2 г а их & д

д2Сг д2С2 1 оС2 \2 сС2 Л

-+-~ +--------- = 0,

<%2 а-2 г а п2 <%

д2Съ д2Сз 1 дс, У3 8СЪ п

—+ —+--1—I--- = 0.

дг 3- г 3- £>3 &

где С], Сг и Сз - концентрации подвижных форм металла в нижнем пласте, в среднем пласте и в верхнем пласте, Бь , Б3 и Уь у2, у3 -коэффициенты диффузии и скорости квазиконвекции соответственно в нижнем, в среднем и в верхнем пласте вмещающих пород.

Граничные условия и условия на бесконечности - нулевые аналогично условиям для двухслойных вмещающих пород. Вид решения задачи в трехслойном разрезе также аналогичен виду решения для двухслойных вмещающих пород.

При теоретических расчетах использован коэффициент - параметр струйности к=у/(20): ^=^,/(201), к2=У2/(2В2) и кз=у3/(203).

Результаты теоретических расчетов выявляют связи строения струйных ореолов с параметрами ъ (глубиной), к (струйностью) и Н (расстоянием от нефтяной залежи до границы слоев).

Установлено, что в однородных вмещающих породах в струйных ореолах рассеяния ширина аномалии и максимум концентрации плавно изменяется с возрастанием глубины залежи (рис.1). А в неоднородных (двухслойных, трехслойных) вмещающих породах вид аномалии струйных ореолов обладает следующими особенностями (рис.2, рис.3):

1) резкое изменение формы аномалии струйных ореолов на границе между двумя слоями;

-г0)ед = о, (12)

(13)

(14)

Горизонтальная координата (г), м

1;—о.о1—) 2 и

Рис.1. Изоконцентрации струйного ореола рассеяния над нефтяной залежью в однородных вмещающих породах (го=5000м, к=0.01 1/м).

1- изоконцентрация (в условных единицах), 2- нефтяная залежь

1|~-0.02

Горизонтальная координата (г), м

Рис.2. Распределение изоконцентраций в струйном ореоле рассеяния над нефтяной залежью в двухслойном геологическом разрезе. к,=0.001 1/м, к2=0.01 1/м, г0=5000 м, Н= 1000м, 01=02. (Изоконцентрации даны в условных единицах) 1- изоконцентрация (в условных единицах), 2- нефтяная залежь, 3- граница раздела пород,

горизонтальна» координата (г), м

1 — о юо—| 2 ■■ 3---

Рис.З. Распределение изоконцентраций в струйном ореоле рассеяния над нефтяной залежью в трехслойном геологическом разрезе. к,=0.001 1/м, к2=0.01 1/м, к3=0.001 1/м, го=5000 м, Н1=1000 м, Н2=2000 м, 0,=02=03. 1- изоконцентрация (в условных единицах), 2- нефтяная залежь, 3- граница раздела пород.

2) вид аномалии зависит от относительной величины скорости миграции и коэффициента диффузии металлов в контактирующих слоях пород, т.е. от отношения кщ/^ ¡=1,2 .. п. п+1 - количество слоев пород над нефтяной залежью);

3) в отличие от аномалии в однородных вмещающих породах, в которых максимум концентрации аномалии всегда монотонно убывает с возрастанием глубины залежи, в неоднородных породах при к;+1<к;, максимум аномалии в верхнем слое в некотором диапазоне глубин больше, чем в нижнем слое, т.е. максимум аномалии не всегда уменьшается монотонно с возрастанием глубины залежи.

Второе защищаемое положение

Результаты выполненного лабораторного физико-химического моделирования газово-пузырькового конвективного механизма формирования одномерных и двухмерных струйных ореолов рассеяния меди и марганца - металлов индикаторов нефтегазовых месторождений подтверждают адекватность физико-математической модели двухмерных струйных ореолов рассеяния

Выполнено лабораторное моделирование двух видов: одномерного и двухмерного переноса ионов металлов пузырьками воздуха. Моделирование одномерного переноса ионов проведено в вертикальной трубке. В эксперименте в качестве металла использована медь. Моделирование двухмерного переноса ионов проведено в сосуде, имеющем форму параллелепипеда и в качестве источников металлов использованы медь и марганец.

Всего выполнено три группы экспериментов.

Первая группа (три эксперимента №1.1, №1.2, №1.3) проведена в вертикальной стеклянной трубке. Трубка имеет диаметр 3 см и высоту 100см. На расстоянии от дна трубки 17, 47, 72 и 90 см (поверхность раствора) находятся отверстия для отбора проб жидкости. На дне трубки установлен титановый металлокерамический фильтр, сквозь который пропускается воздух и тем самым создается поток пузырьков в растворе. Два эксперимента (№1.1, №1.2) из них проведено в однородной жидкой (без твердой фазы) среде при различной концентрации источника меди, третий эксперимент (№1.3) проведен в пористой среде, состоящей из частиц кварца и раствора.

Вторая группа (три эксперимента №2.1, №2.2, №2.3) проведена в вертикальной трубке из пластика, что позволяет распределить отверстия по высоте трубки для отбора проб раствора более равномерно. Установка аналогична установке для первой группы экспериментов. Два эксперимента (№2.1, №2.2) из группы проведено в пористой среде, состоящей из частиц кварц и раствора гуминовых

кислот при различной концентрации источника меди, эксперимент №2.3 проведен в пористой среде, состоящей из частиц кварц и раствора уксусной кислоты.

Результаты двух групп экспериментов показывают, что 1) перенос ионов меди, связанный с движением пузырьков в жидкой среде, трудно наблюдать из-за сильной вертикальной конвекции раствора; 2) при наличии в трубке раствора и кварцевых частиц, т.е. в пористой среде, конвекция раствора уменьшается, что позволяет наблюдать перенос меди, связанный с движением пузырьков, в частности, увеличение концентрации меди на поверхности раствора со временем; 3) исходная концентрация меди сильно влияет на результаты наблюдений.

Третья группа (два эксперимента №3.1, №3.2) проведена в сосуде, имеющем форму параллелепипеда. Сосуд имеет длину 40см, ширину Зсм и высоту 40см. В центре дна сосуда установлены горизонтальный цилиндрический шамотный фильтр или игла. Через фильтр или иглу пропускают воздух, что создает локальный поток пузырьков воздуха в растворе. На поверхности раствора установлены вертикальные перегородки с интервалом в 1см для исключения горизонтальной конвекции раствора на поверхности при пропускании пузырьков и отборе проб. При экспериментах использованы ионы меди и марганца (ион Мп04")

Один эксперимент (№3.1) проведен в однородном растворе гуминовых кислот. В результате установлено, что концентрация меди у поверхности раствора несколько повышается в центральной части профиля..

Другой эксперимент (№3.2) проведен в пористой среде, состоящей из частиц кварца (5-7 мм) и воды. В качестве изучаемого металла использован марганец (ион МпОд") вместо меди. Концентрация марганца определялась методом колориметрии. При моделировании для создания более узкого потока пузырьков в установке использована игла. Результаты экспериментов показывает, что положение максимума концентрации ионов Мп04" у поверхности рас-

твора совпадает с проекцией места пропускания пузырьков на поверхность, с увеличением времени пропускания пузырьков воздуха увеличиваются максимум концентрации и ширина аномалии (рис.4).

Результаты третьей группы экспериментов указывают на связь переноса меди и марганца с движением пузырьков воздуха.

Выполнено сопоставление теоретических кривых с экспериментальными данными двухмерного моделирования переноса марганца, которое может быть выражено нестационарным дифференциальным уравнением для концентрации С:

д2с V ее дгс 1 ее еадад Л

—----+ —-----+ — к =0 (15)

. дг2 И & дх2 £> дт 2 В '

при 0< х <оо, -со< г < оо. где оси координат: г - вертикальная, х - горизонтальная, х - время. - мощность постоянного источника, Б, V - коэффициент диффузии и скорость конвекции металла соответственно.

Путем решения уравнения (15) при краевых условиях:

си=о , С|х1+^->0 (16)

получим выражение оригинала концентрации:

-(-+—С)

¿у 4 4£>

С = -^-е2а[--. (17)

АтгП ¿/- у

—^ V-

4я0 А С

На рис.5 приведено сопоставление теоретической кривой распределения концентрации вдоль оси х с экспериментальными данными для времени 60 мин. пропускания пузырьков воздуха. Как видно из рис.5, с учетом двух источников металла, отражающих неоднородность струй, теоретическая кривая удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными при параметрах: х- 19см, Б^.З-Ю"4 см2 /с, у,=5.6-Ю"3 см/с, (^=0.25 мг/(см-с), л'2=5.5-10"3 см/с, <3г0.35 мг/(см-с), Ах-3.5 см. Здесь VI и - скорость переноса металла и мощность главного источника, Уг и Ог- скорость

■с 70

расстояние по горизонтали, см ¡=0 мин ---о--- ибО мин —*—(=120 мин —•—(=180 мин

Рис.4. Эксперимент №.3.2. Результаты моделирования двухмерного переноса ионов Мп04" в пористой среде, состоящей из частиц кварца (5-7 мм) и насыщенной водой. Графики распределения концентрации марганца у поверхности раствора при различных значениях времени.

Б

расстояние по горизонтали.см

--теоретическая кривая

— -•-.-- экспериментальные данные

Рис.5. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных по распределению концентрации марганца в модели двухмерного струйного ореола рассеяния. Время пропускания пузырьков - 120 мин . Теоретическая кривая получена для двух источников металла - СЬ при х=17см и СЬ при х=20.5см, расчетные параметры: г=19см, В=2.5-10'4 см2/с, У1=5.6-10'3 см/с, у2=5.5-Ю"3 см/с, д,=0.25 мг/(см-с), С^О.ЗбСЬмгДсм-с).

переноса металла и мощность слабого источника, Ах - горизонтальное расстояние двумя источниками

На рис.5 приведено сопоставление теоретической кривой распределения концентрации вдоль оси х с экспериментальными данными для времени 60 мин. пропускания пузырьков воздуха. Как видно из рис.5, с учетом двух источников металла, отражающих неоднородность струй, теоретическая кривая удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными при параметрах: г=19см, В=2.5-Юа см2 /с, у1=5.б-10"3 см/с, ($1=0.25 мг/(см-с), у2=5.5-10"3 см/с, СЬ= ($1-0.35 мг/(см с), Дх=3.5 см. Здесь V) и - скорость переноса металла и мощность главного источника, Уг и ($2 - скорость переноса металла и мощность слабого источника, Ах - горизонтальное расстояние двумя источниками.

Третье защищаемое положение

Предложенные способы интерпретации геоэлектрохимических данных, полученных методами МПФ, ТМГМ, МДИ и ЧИМ, которые основаны на сопоставлении теоретических кривых и экспериментальных данных о зависимости ширины аномалии от глубины нефтегазовой залежи и о распределении концентрации тяжелых металлов по профилю, показывают возможность определения геометрических параметров залежи (размеров и глубины залегания) и физических характеристик разреза (величин параметра струйности и др.)

Проанализированы полевые данные геоэлектрохимического метода МПФ, полученные над нефтяными залежами в Волго-Уральской и в Западно-Сибирской нефтегазоносных провинциях. Показано, что в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции ширина геоэлектрохимических аномалий для различных нефтяных месторождений более - менее пропорциональна глубине залежей, а в Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции зависимость ширины аномалии от глубины нефтяной залежи имеет более сложный характер.

Разработанные физико-математические модели струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами в однородной и слоистой вмещающих породах дают теоретическую зависимость ширины аномалии от глубины нефтяной залежи. В принципе эту зависимость можно использовать для определения глубины нефтяной залежи по известной ширине геоэлектрохимических аномалий, полученных на дневной поверхности, путем сопоставления с теоретическими кривыми.

Для этого необходимо допустить, что в конкретной нефтегазоносной провинции имеются геологические условия, близкие для разных нефтяных залежей и, следовательно, изменение ширины аномалий связано только с изменением глубины нефтяных залежей. С целью проверки этого допущения выполнено сопоставление практических данных средней ширины геоэлектрохимических аномалий МПФ для шести элементов (№, Со, V, Си, РЬ, Zn) и глубины соответствующих залежей для Волго-Уральской и Западно-Сибирской нефтегазоносных провинций.

Результаты сопоставления показывают, что в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции экспериментальные данные хорошо согласуется с теоретической кривой однородного разреза при значении параметра к=0.08 1/м (рис.6), т.е. в первом приближении геологический разрез Волго-Уральской провинции является однородным по параметру струйности к=у/(2Б) (при значениях к ~ 0,06-0,12 м"1, средняя величина к~ 0.08 м"1). А в Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции экспериментальные данные зависимости ширины геоэлектрохимических аномалий от глубины нефтяных залежей удовлетворительно совпадают с теоретической зависимостью при параметрах: г0=5000 м, Н=1600 м. к]=0.03 м"1, к2=0,005 м"1, 01=02. Это значит, что геологический разрез Западно-Сибирской провинции является слоистым, состоящим из двух слоев (у нижнего слоя к]=0.03 м"1, а у верхнего к2=0,005 м"1); в целом разрез ЗападноСибирской нефтегазоносной провинции менее проницаем для под-

вижных форм металлов, чем геологический разрез Волго-Уральской провинции.

1000

О -,-,-,-,-1

1000 1500 2000 2500 3000 3500 глубина г, м

-теоретическая кривая,к=0.08 1/м

_• практические данные_

Рис.6. Теоретическая зависимость ширины геоэлектрохимической аномалии от глубины нефтяной залежи и практические геоэлектрохимические данные метода МПФ (средняя ширина) в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции.

2 1500

1000 1500 2000 2500 3000

глубина г, м

-теоретическая кривая (к1=0 03 1/м, к2=0.005 1/м)

• практические данные

Рис.7.Теоретическая зависимость ширины

геоэлектрохимической аномалии в двухслойном разрезе (Н=1600 м, г0=5000 м) от глубины нефтяной залежи и практические геоэлектрохимические данные метода МПФ (средняя ширина) в Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции.

Разработаны также алгоритм и методика компьютерного подбора теоретической кривой распределения концентрации по профилю в струйном ореоле, наилучшим образом совпадающей с практической геоэлектрохимической кривой. Методика проведена для данных Кристального нефтяного месторождения. На рис. 8 представлены результаты подбора теоретической кривой распределения концентрации по профилю, наилучшим образом совпадающей с практическими данными метода МПФ для металла (никеля), при параметрах: 2=1825м, 2г0=1566м, Н=60м, к]=0.1 1/м , к2=0.1 1/м.. Как видно из рис.8, теоретические кривые удовлетворительно совпадает с полевыми экспериментальными данными.

§ О 500 1000 1500 2000 2500 3000 рахгая»с(х),м -• --практическая кривая -теоретическая кривая

Рис.8. Подбор теоретической кривой распределения концентрации по профилю, наилучшим образом совпадающей с практическими данными по методу МПФ для металла (никеля) на Кристальном нефтяном месторождении.

Таким образом, показано, что физико-математическую модель струйных ореолов для нефтегазовых месторождений можно использовать для моделирования практических геоэлектрохимических аномалий с целью определения физических и геометрических параметров геологического разреза.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Чжоу Цзыюн. О связи формы геоэлектрохимических аномалий с параметрами нефтегазовых залежей \\ Тезисы докладов на научной конференции студентов и молодых ученых Санкт-Петербурского государственного горного института, «Полезные ископаемые России и их освоение»., 15-16 апреля 1998г, с.66.

2. Путиков О.Ф., Вешев С.А., Ворошилов H.A., Алексеев С.Г., Вэнь Байхун, Чжоу Цзыюн. Струйные ореолы рассеяния тяжелых металлов нефтегазовых месторождений и их использование при оценке параметров залежей. \\ Докл. АН, 2000, т.371, №. 5, с.668 -671.

3. Путиков О.Ф. Вешев С.А., Ворошилов H.A., Алексеев С.Г., Чжоу Цзыюн, Касьянкова H.A. Струйные ореолы рассеяния над нефтегазовыми залежами в неоднородных породах \\ Геофизика, 2000, №1, с.52 - 56.

4. Чжоу Цзыюн , Путиков О.Ф. , Касьянкова H.A. Возможности оценки параметров нефтегазовых залежей путем решения обратной задачи геоэлектрохимических методов \\ Сборники трутов молодых ученых, СПГГИ., 1999, вып.4, с. 24 - 26.

5. Касьянкова H.A., Чжоу Цзыюн, Путиков О.Ф. Процессы, ведущие к образованию аномалий метода диффузионного извлечения металлов над корродированными участками магистральных трубопроводов. \\ Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, 16-18 июня 1999г. Санкт-Петербург, с.263-267.

6. Чжоу Цзыюн, Двухмерное моделирование струйных ореолов рассеяния тяжелых металлов, связанных с движением газовых пузырьков. \\ Тезисы докладов на Международной конференции молодых ученых и специалистов «ГЕОФИЗИКА 99», Санкт-Петербург, 9-12 ноября 1999, с.146-147.

РИД СПГГИ. 25.04.2000. 3. 203. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Чжоу Цзыюн

Введение.

Защищаемые положения.

Глава 1.Геоэлектрохимическиие методы и их физико-химические основы.

1.1. Геоэлектрохимия. Современное состояние исследований.

1.1.1. Исследование геоэлектрического поля

1.1.2. Геоэлектрохимические исследования.

1.2.Струйные ореолы рассеяния над нефтегазовыми залежами и их физико-химические основы.

1.2.1. Микрокомпоненты в нефти и в нефтяных водах.

1.2.2.Близвертикальный перенос .микроэлементов газовыми пузырьками

1.2.3. Формы нахождения химических элементов в горных породах.

1.3 .Геоэлектрохимические методы поисков нефтегазовых месторождений.

Выводы по первой главе

Глава 2. Структура струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами

2.1. Физико-геологические модели струйных ореолов рассеяния тяжелых металлов из нефтегазовых месторождений.

2.2. Физико-математические модели и теоретические основы струйных ореолов рассеяния нефтегазовых месторождений.

2.2.1.Однородные вмещающие породы

2.2.2.Слоистые вмещающие породы. Двухслойный геологический разрез.

2.2.3. Трехслойный геологический разрез

2.3.Струйный ореол рассеяния подвижных форм тяжелых металлов над двухслойной нефтяной залежью

Выводы по второй главе

Глава 3.Экспериментальное лабораторное физико-химическое моделирование двухмерных струйных ореолов нефтегазовых месторождений

3.1. Теоретические основы экспериментов

3.1.1. Образование пузырьков газа и их всплывание в жидкости и в пористой среде

3.1.2. Конвекция жидкости, адсорбция ионов металлов на пузырьке и перенос металлов

3.2. Обоснование структуры и параметров модели

3.2.1. Методы образования пузырьков воздуха

3.2.2. Металлы, растворы и пористая среда в экспериментах

3.3. Методика и результаты моделирования переноса ионов, связанного с движением пузырьков воздуха

3.3.1. Моделирование одномерного переноса меди, связанного с движением пузырьков воздуха

3.3.2. Моделирование двухмерного переноса ионов меди и марганца, связанного с движением пузырьков воздуха

3.4. Анализ результатов

Выводы по третьей главе

Глава 4.Возможности геоэлектрохимических методов при решении поисковых задач

4.1. Возможности определения параметров нефтегазовых залежей путем решения обратных задач геоэлектрохимических методов

4.1.1 Определение горизонтальных размеров нефтяной залежи (радиуса г0).

4.1.2. Зависимости ширины геоэлектрохимических аномалий от глубины залегания нефтяных залежей в разных нефтегазоносных провинциях

4.1.3.Возможность определения физических и геометрических параметров нефтяной залежи по практической кривой распределения концентраций по профилю

4.2.Явление зональности струйных ореолов рассеяния металлов над нефтяными залежами

Выводы по четвертой главе

Введение Диссертация по геологии, на тему "Струйные ореолы рассеяния нефтегазовых месторождений в неоднородных горных породах и их изучение геоэлектрохимическими методами"

Актуальность проблемы

С развитием глобальной экономики увеличивается потребление количества нефти и газа. При поисках нефтегазовых месторождений ведущую роль играет традиционная сейсморазведка. В том же время используются и нетрадиционные методы разведки для решения нефтегазовых поисковых задач. Геоэлектрохимические методы в качестве традиционного метода давно применяются при поисках рудных месторождений. С этой целью в России и СНГ в большом объеме использованы такие геоэлектрохимические методы как ЧИМ (метод частичного извлечения металлов), МДИ (метод диффузионного извлечения), КСПК (контактный способ поляризационных кривых) и БСПК (бесконтактный способ поляризационных кривых).

В последние годы в России исследованы возможности применения геоэлектрохимических методов ЧИМ, МДИ, МПФ (метод поисков по формам нахождения элементов) и ТМГМ (термомагнитный геохимический метод) при поисках нефтегазовых месторождений. Ставилась задача создания на базе геоэлектрохимических методов основы новой технологии поисков, которая смогла бы в значительной мере упростить процесс выявления и оценки нефтегазовых месторождений, а также сократить объемы нефтепоискового бурения [89,90]. Применение геоэлектрохимических методов для исследования нефтегазовых месторождений выявило наличие над нефтегазовыми залежами струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов. Установлено, что эти ореолы имеют важную особенность: существование аномально высокой концентрации тяжелых металлов вблизи проекции контура нефтяной залежи на дневную поверхность. Использование этой особенности позволяет определять нефтеносность структур и размер нефтяной залежи.

Однако, при использовании геоэлектрохимических методов с целью поисков нефтегазовых месторождений возникают проблемы, которые необходимо решить. Эти проблемы заключается в следующем.

1) Недостаточно изучен механизм формирования струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов над нефтяными залежами.

Явление струйных ореолов впервые установлено над рудными телами и экспериментально и теоретически изучено рядом исследователей (Рысс Ю.С, Путиков О.Ф. и др.)[48, 49, 56]. Путиков О.Ф. и Духанин А.С. предложили механизм формирования струйных ореолов над рудными телами. Согласно их точке зрения, формирование струйных ореолов над рудными телами связанно с близвертикальной движением микропузырьков газа в горных породах [48]. Что касается механизма формирования струйных ореолов над нефтегазовыми залежами, то в настоящее время этот эффект изучен очень слабо. В Санкт-Петербургском государственном горном институте выполнены лабораторные эксперименты по моделированию одномерного переноса металла (урана) пузырьками воздуха. Результаты экспериментов указывают на возможность переноса металла (урана) под действием движения пузырьков воздуха [12]. Однако, в этих экспериментах не исследованы особенности пространственного рассеяния металла на поверхности моделируемой среды, что имеет очень важное значение для изучения струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами.

2) Не разработано теоретическое обоснование структуры (строения) струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами.

О.Ф. Путиков и его сотрудники разработали физико-математическую модель струйных ореолов рассеяния подвижных форм тяжелых металлов нефтегазовых залежей в однородных вмещающих породах [12,53]. Такое идеальное состояние в практике встречается редко. В связи с этим необходимо создать физико-математическую модель струйных ореолов в неоднородных вмещающих породах. При этом необходимо учесть статистические результаты, полученные при интерпретации полевых геоэлектро7 химических данных. Необходимо также выяснить, возможно ли проведение интерпретации полевых данных для конкретных нефтегазовых месторождений и получение их физических и геометрических параметров путем решения обратной задачи геоэлектрохимических методов.

3) Не изучена зональность геоэлектрохимических аномалий, т.е. различие формы геоэлектрохимических аномалии для разных химических элементов.

В результате использования геоэлектрохимических методов на нефтегазовых месторождениях показано, что для одного и того же метода положения максимумов концентрации разных тяжелых металлов иногда не совпадают. Например, находятся на различном расстоянии от проекции контура нефтяной залежи на дневную поверхность. А для одного и того же элемента вид аномалий, полученных разными геоэлектрохимическими методами, также может различаться.

В настоящее время отсутствует удовлетворительное объяснение этого явления.

Цель и задачи работы

1) Сбор материалов, необходимых для разработки физико-геологической модели формирования струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения металлов над нефтегазовыми залежами.

2) Разработка методики численного компьютерного моделирования ореолов рассеяния тяжелых металлов из нефтегазовых залежи (и таким образом, решения прямых задач) на основе физико-математической модели струйных ореолов рассеяния в слоистых ореолах, созданной научным руководителем О.Ф. Путиковым с участием автора. Изучение зависимости строения струйных ореолов рассеяния над нефтегазовыми залежами от их физических и геометрических параметров.

3) Проведение лабораторного моделирования одномерного и двухмерного переноса металлов под действием движения пузырьков воздуха.

4) Обоснование использования вышеупомянутых физико-математических моделей при интерпретации полевых геоэлектрохимических данных с целью решения задач нефтегазовых поисков.

Методы исследования

При решении вышеперечисленных задач применены экспериментальные и аналитические методы исследования. Выполнено физико-химическое лабораторное моделирование одномерного и двухмерного переноса тяжелых металлов в пористых системах под действием подвижных пузырьков воздуха в научно-исследовательской лаборатории геоэлектрохимических методов разведки МПИ Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета). Теоретические расчеты проведены на компьютере Р-166 ММХ с помощью систем Microsoft Word 97, Excel 97, Mathcad и Surfer.

Научная новизна исследований состоит в следующем.

Разработана методика численного компьютерного моделирования ореолов рассеяния тяжелых металлов из нефтегазовых залежи (и таким образом, решения прямых задач) на основе физико-математической модели струйных ореолов рассеяния в слоистых ореолах, созданной научным руководителем О.Ф. Путиковым с участием автора, исследованы зависимости строения струйных ореолов рассеяния от физических и геометрических параметров нефтяной залежи.

Впервые в лаборатории проведено моделирование двухмерного переноса металлов меди и марганца пузырьками воздуха.

Предложение методика интерпретации полевых геоэлектрохимических данных, позволяющая оценивать параметры искомых нефтяных залежей.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием современных высокочувствительных аналитических средств и достаточ9 ным объемом экспериментов при физико-химическом моделировании струйных ореолов, а также достаточной корректностью использования математического аппарата численного анализа при теоретическом исследовании.

Практическая значимость работы

1) Разработанные физико-геологические модели струйных ореолов над нефтяными залежами могут быть использованы для объяснения механизма формирования этих ореолов и их особенностей.

2) Выполненные исследования физико-математических моделей струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами позволяют выяснять зависимость строения струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами от их физических и геометрических параметров и на этом основании уточнить методику полевых исследований.

3) Предложенная автором методика интерпретации геоэлектрохимических аномалий может быть применена для интерпретации практических полевых геоэлектрохимических данных.

Апробация работы

Основные положения работы доложены на Ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 1998г., 1999г.), на Четвертой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1999г.), на Международной конференции молодых ученых и специалистов «ГЕОФИЗИКА 99» (Санкт-Петербург, 1999г.).

Работа над диссертацией включена в научный проект по теме "Теоретико-экспериментальное обоснование использования струйных ореолов рассеяния для прогноза и поисков нефтегазовых месторождений геоэлектрохимическими методами" в рамках программы "Университеты России" (1998 г.).

10

Публикации

Результаты исследований опубликованы в 6 научных работах.

1) Чжоу Цзыюн. О связи формы геоэлектрохимических аномалий с параметрами нефтегазовых залежей. Тезисы и доклады на научной конференции студентов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института, «Полезные ископаемые России и их освоение»., 15-16 апреля 1998г, с.66.

2) Путиков О.Ф., Вешев С.А., Ворошилов H.A., Алексеев С.Г., Вэнь Байхун, Чжоу Цзыюн. Струйные ореолы рассеяния тяжелых металлов нефтегазовых месторождений и их использование при оценке параметров залежей. \\ Докл. АН, 2000, том.370, №.5, с.668-671.

3) Путиков О.Ф. Вешев С.А., Алексеев С.Г., Чжоу Цзыюн, Касьянко-ва H.A. Струйные ореолы рассеяния над нефтегазовыми залежами в неоднородных породах.\\ Геофизика, 2000, №.1, с.52-56.

4) Чжоу Цзыюн, Путиков О.Ф., Касьянкова H.A. Возможности оценки параметров нефтегазовых залежей путем решения обратной задачи геоэлектрохимических методов. \\ Сборник трудов молодых ученых. СПГГИ., 1999г, вып. 4, с.24-26.

5) Касьянкова H.A., Чжоу Цзыюн, Путиков О.Ф. Процессы, ведущие к образованию аномалий метода диффузионного извлечения металлов над корродированными участками магистральных трубопроводов. \\ Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием. 16-18 июня, 1999г. Санкт- Петербург, с.263-267.

6) Чжоу Цзыюн, Двухмерное моделирование струйных ореолов рассеяния тяжелых металлов, связанных с движением газовых пузырьков. \\ Тезисы и доклады на Международной конференции молодых ученых и специалистов «ГЕОФИЗИКА 99», Санкт-Петербург, 9-12 ноября, 1999, с. 146-147.

11

Благодарности

Работа по теме диссертации выполнена на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки СПбГГИ под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора О.Ф.Путикова, которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Большую помощь при проведении работы, сборе материалов и обсуждении вопросов оказали проф. А.А.Молчанов, проф. В.Х.Захаров, н.с. К.В.Блинов, и научные сотрудники института ВИРГ-Рудгеофизика, в особенности, С.А.Вешев, Н.А.Ворошилов, С.Г.Алексеев, К.И.Степанов, В.К.Титов и другие. Всем им автор признателен. В заключение автор выражает свою большую благодарность H.A. Касьянковой, которая оказала автору очень большую помощь при проведении экспериментов.

12

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. В неоднородных (слоистых) горных породах струйные ореолы рассеяния тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами имеют следующие основные особенности: а) в вертикальном разрезе - расширение ореола в пластах с относительно низким значением параметра струйности к=т/(2В), где V - вертикальная скорость квазиконвекции в пласте, Э - коэффициент диффузии металла в нем, и сужение ореола в пластах с относительно высоким значением параметра к; б) немонотонное изменение максимума концентрации с увеличением вертикального расстояния от нефтегазовой залежи в зависимости от соотношения параметров струйности соседних пластов.

2. Результаты выполненного лабораторного физико-химического моделирования газово-пузырькового конвективного механизма формирования одномерных и двухмерных струйных ореолов рассеяния меди и марганца - металлов индикаторов нефтегазовых месторождений подтверждают адекватность физико-математической модели двухмерных струйных ореолов рассеяния.

3. Предложенные способы интерпретации геоэлектрохимических данных, полученных методами МПФ, ТМГМ, МДИ и ЧИМ, которые основаны на сопоставлении теоретических кривых и экспериментальных данных о зависимости ширины аномалии от глубины нефтегазовой залежи и о распределении концентрации элемента по профилю, показывают возможность определения геометрических параметров залежи (размеров и глубины залегания) и физических характеристик разреза (величины параметра струйности и др.)

13

Заключение Диссертация по теме "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых", Чжоу Цзыюн

Выводы по третьей главе

1) Выполнено моделирование одномерного переноса меди пузырьками воздуха в вертикальной трубе и двухмерного переноса меди и марганца - в сосуде, имеющем форму сжатого параллелепипеда двухмерного переноса металлов - меди и марганца. При этом использовано два варианта заполнения моделей: а) однородным раствором; б) частицами кварца, залитыми раствором, что имитирует водонасы-щенную пористую геологическую среду.

2) Моделирование одномерного переноса меди показало, что под действием вертикального потока подвижных пузырьков воздуха происходит накопление металла на поверхности раствора.

115

3) Моделирование двухмерного переноса меди и марганца показало, что местоположение максимума концентрации металла на поверхности раствора совпадает с проекцией места пропускания пузырьков. Это указывает на связь переноса металла с движением пузырьков воздуха.

4) Получено удовлетворительное совпадение теоретических расчетов и экспериментальных данных по распределению концентрации металла на поверхности раствора при моделировании двухмерного переноса металла потоком газовых пузырьков. Это подтверждает адекватность разработанной физико-математической модели двухмерных струйных ореолов рассеяния.

116

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТИ ГЕОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ РЕШЕНИИ ПОИСКОВЫХ ЗАДАЧ

На территории России выполнен и выполняется большой объем полевых работ геоэлектрохимическими методами (ЧИМ, МДИ, ТМГМ, МПФ). Эти методы используют не только для поисков рудных, нефтегазовых месторождений, но и для решения геоэкологических задач. В частности, поиски нефтегазовых месторождений геоэлектрохимическими методами основаны на исследовании микроэлементного состава нефти. Возможность использования микроэлементов для поисков нефтегазовых залежей отмечена во многих работах [21, 22, 30, 38, 39, 41, 42]. В этой главе обсудим особенности применения геоэлектрохимических методов (ЧИМ, МДИ, ТМГМ, МПФ) при поисках нефтегазовых залежей, связанные с задачей интерпретации геоэлектрохимических аномалии струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов.

4.1 Возможности определения параметров нефтегазовых залежей путем решения обратных задач геоэлектрохимических методов

Под обратной задачей геоэлектрохимических методов понимается определение геометрических и физических параметров объекта исследования и вмещающих пород путем интерпретации геоэлектрохимических данных, полученных на дневной поверхности земли.

Применение геоэлектрохимических методов (МПФ, ТМГМ, МДИ, ЧИМ) на нефтегазовых месторождениях впервые показало возможность решения важной практической задачи - определения нефтеносности структур и неструктурных объектов и установления положения контура нефтяной залежи [57, 89, 90]. В главах 1, 2 описаны разработанные физико-геологическая и физико-математическая модели струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов над нефтегазовыми залежами. Как указано в главе 2, на основании анализа физико-математической модели струйных ореолов рассеяния можно получить за

117 висимость концентрации от горизонтальной координаты и зависимость ширины аномалии от глубины нефтяной залежи при различных величинах коэффициента к (к = у/(20)) . Ниже рассмотрим возможность определения параметров нефтегазовых залежей путем моделирования геоэлектрохимических аномалий, полученных на известных нефтяных месторождениях в Волго-Уральской и Западно-Сибирской нефтегазоносных провинциях.

4.1.1 Определение горизонтальных размеров нефтяной залежи (радиуса г0)

Как отмечено в предыдущей главе, в геоэлектрохимических методах исследуются струйные ореолы рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов. Изложенные в главе 2 физико-математические модели струйных ореолов в однородной и слоистой толщах перекрывающих пород описывают строение струйных ореолов рассеяния над нефтяными залежами, в т.ч. показывают наличие высоких концентраций тяжелых металлов в местах вертикальной проекции контура нефтяной залежи на дневную поверхность. На основании обширного опыта полевых исследований выявлено наличие кольцевых аномалий тяжелых металлов в изучаемых геоэлектрохимическими методами струйных ореолах рассеяния. Показано, что положение этих кольцевых аномалий, действительно примерно соответствует проекции контура нефтяной залежи на дневную поверхность [89, 90]. Следовательно, горизонтальные размеры нефтяной залежи можно достаточно удовлетворительно определить по местоположению максимумов высоких концентрации тяжелых металлов в геоэлектрохимических аномалиях (рис.4.1).

119 дениями. Цель работы заключалась в том, чтобы создать на базе геоэлектрохимических методов основы новой технологии, с помощью которой можно в значительной мере упростить процесс выявления и оценки нефтегазовых месторождений, и что позволит сократить объемы нефтепоисково-го бурения [89, 90]. В Волго-Уральской нефтегазоносной провинции проведены полевые геоэлектрохимические работы на 6 известных нефтегазовых месторождениях, а в Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции - на 8. В результате различия глубин залежей, количества их, геологического строения месторождений, различны формы геоэлектрохимических аномалий, полученных на различных месторождениях. Однако, все геоэлектрохимические аномалии имеют две общие особенности.

1) Максимумы геоэлектрохимических аномалий, полученных на дневной поверхности, совпадают с контурами проекций нефтяных залежей на дневную поверхность. Как показано выше, именно эта особенность струйных ореолов над нефтегазовыми залежами позволяет прямо определять горизонтальное распространение нефтяной залежи.

2) Существование зависимости ширины аномалии на половине ее амплитуды (см. главу 2, рис.2.5) от глубины нефтегазовых залежей. Определение ширины аномалии выполнено путем обработки полевых геоэлектрохимических данных. Анализ полученных результатов показывает, что ширина аномалии различна для различных нефтяных месторождений, Однако, существует зависимость между шириной аномалии и глубиной нефтяной залежи. В таблице 4.1 представлены экспериментальные данные о ширине аномалий метода МПФ и глубинах соответствующих залежей [12, 89, 90].

Как видно из таблицы 4.1, в Волго-Уральской нефтегазовой провинции ширина аномалии более - менее пропорциональна глубине залежей, т.е. чем больше глубина залежи, тем, как правило, больше ширина аномалии. Однако, на Сыртовском месторождении аномалии имеют относительно большую ширину, чем на Олышанском месторождении, на котором нефтяная залежь залегает приблизительно на такой же глубине. В Западно

120

Сибирской нефтегазовой провинции зависимость ширины аномалии от глубины нефтяной залежи имеет более сложный характер. Возможными причинами этого могут быть:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применение геоэлектрохимических методов при поисках и изучении нефтегазовых месторождениях позволило выявить наличие струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов над нефтяными залежами. Формирование струйных ореолов может быть связано с вертикальным движением микропузырьков газов в горных породах. Показано, что в нефтяных водах содержатся тяжелые металлы в подвижных формах нахождения, эти металлы имеют относительно высокую концентрацию, и под действием движения пузырьков газов металлы мигрируют к дневной поверхности.

Использование особенностей струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов над нефтяными залежами дает возможность решения ряда нефтепоисковых задач.

2. Моделирование переносы иона, проведенные в вертикальной трубе (одномерного) и в прямоугольной сосуде (двухмерного), показывает, что:

1) моделирование одномерного переноса меди под действием подвижных пузырьков металл накапливается у поверхности раствора;

2) моделирование двухмерного переноса марганца и меди показывает, что местоположение максимума концентрации металла совпадает с проекцией места пропускания пузырьков на поверхность раствора, что указывает на связь переноса металла с движением пузырьков воздуха;

3) сопоставление теоретических и экспериментальных данных показывает обоснованность использования созданной физико-математической модели для описания строения струйных ореолов рассеяния в эксперименте.

3. Теоретические расчеты с использованием физико-математических моделей, разработанных научным руководителем О.Ф. Путиковым с участием автора, позволяет выявить строение струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов над нефтегазовой залежью в однородных и в неоднородных (двухслойных и трехслойных) вмещающих породах. Эти расчеты показывают, что: вид аномалии концентра

137 ции в однородных и в неоднородных (двухслойных, трехслойных) вмещающих породах различается. В однородных вмещающих породах вид аномалии струйных ореолов зависит от параметров: скорости миграции металлов в породе, коэффициента диффузии металлов в породе и глубины залежи. Ширина и максимум аномалии плавно изменяются с возрастанием глубины залежи, т.е. чем больше глубина залежи, тем больше ширина аномалии и меньше максимум.

В двухслойных вмещающих породах вид аномалии струйных ореолов обладает следующими особенностями:

1) резкое изменение формы аномалии струйных ореолов на границе между двумя слоями;

2) вид аномалии зависит от относительной величины скорости миграции и коэффициента диффузии металлов в контактирующих слоях пород - нижнем (к1=у1/(201) и верхнем , к2==у2/(2В2)), расстояния от нефтяной залежи до границы слоев Н и глубины нефтяной залежи г;

3) в отличие от аномалии в однородных вмещающих породах, в которых максимум концентрации аномалии всегда убывает с возрастанием глубины залежи, в двухслойной среде, при к2<кь максимум аномалии в верхнем слое в некотором диапазоне глубин больше, чем в нижнем слое, т.е. максимум аномалии не всегда убывает с возрастанием глубины залежи;

4) в трехслойных вмещающих породах вид аномалии струйных ореолов обладает особенностями, аналогичными особенностям в двухслойных вмещающих породах.

4. Использование физико-математических моделей струйных ореолов рассеяния подвижных форм нахождения тяжелых металлов над нефтегазовой залежью для интерпретации геоэлектрохимических данных, полученных в Волго-Уральской и в Западано-Сибирской нефтегазоносных провинциях показало удовлетворительное совпадение теоретической зависимости ширины аномалии от глубины нефтяной залежи с практическими данными. Результаты сопоставления теоретических и экспериментальных

138 данных показывают возможность определения глубины неизвестной нефтяной залежи и других физических и геометрических параметров залежей в изученной нефтегазоносной провинции.

Путем использования разработанных алгоритма и методики компьютерного подбора теоретической кривой распределения концентрации по профилю в струйном ореоле наилучшим образом совпадающей с практической геоэлектрохимической кривой для отдельного нефтяного месторождения возможно определение физических и геометрических параметров нефтяной залежи.

В данной работе рассмотрены вопросы, которые важны при решении нефтягазопоисковых задач геоэлектрохимическими методами. Однако, в работе положено лишь начало разработки данных вопросов и необходимо продолжать их исследование.

139

Библиография Диссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Чжоу Цзыюн, Санкт-Петербург

1. Абрамов Г.Н. Гидродинамика подводных воздушных завес. В книге: " Итоги науки и техники" том.20, М. 1986, с 85-139.

2. Анжипенко В.Р., Мелков В.Н., Титов В.Н. Микроэлементы и формы их существования в нефтях // Нефтехимия. 1979, №5, с 723-735.

3. Антропова Л.В. Формы нахождения элементов в ореолах рассеяния рудных месторождений. Л., Недра, 1975,145с.

4. Боголюбов А.Н., Ворошилов H.A., Ворошилова Л.Н. Физико-химические основы ТМГМ. в сб. Геохимические основы поисков и прогнозирования рудных месторождений. Новосибирск: Наука, 1978. с. 163170.

5. Бордовская М.В., Гаджи-Касумов A.C., Карцев A.A. Основы геохимии, геохимические методы поисков, разведки и контроля за разработкой месторождений нефти и газа. М., Недра, 1989, 245с.

6. Варшал Г.М., Формы миграции фульвокислот и металлов в природных водах, автреф. дисс. доктора. 1994.

7. Васильева В.И. и Ворошилов H.A., Оценка перспективности площадей на нефть геоэлектрохимическими методами // Геофизика, 1995, N.2, с.29-36.

8. Вешев С.А., Савицкий А.П., Алексеев С.Г. Выделение коррозионных участков трубопроводов по подвижным формам нахождения химических элементов // Геофизический вестник. 1997, №4. С17-20.

9. Воинов О.В, Петров А. Г. Движение пузырей в жидкости. В книге "Итоги науки и техники". Сер. тех. Жидкости и газа. 1976, Т.10, с186-147.

10. Ю.Ворошилов H.A., Ворошилова Л.Н. Применение термомагнитного геохимического метода (ТМГМ) при поисках рудных месторождений, в сб. Методы интерпретации результатов литохимических поисков. М.: Наука, 1987, с. 135-141.140

11. Вэнь Байхун. Изучение закономерностей формирования струйных ореолов рассеяния и их применение для поисков нефтегазовых месторождений геоэлектрохимическими методами. Диссертация кандидата геолого-минералогических наук. 1998.

12. Глембоцкий В.А. и др. Флотация. М. 1961, 547с.

13. Глембоцкий В.А. Основы физико-химии флотационных процессов. М. недра. 1980, 471с.

14. Голубев B.C. Динамика геохимических процессов. M.: Недра, 1981г.

15. Голубев B.C., Гарибянц A.A. Гетерогенные процессы геохимической миграции. М., Недра, 1968.192с.

16. Гольман А.М. Ионная флотация. М. Недра. 1982, 144с.

17. Гончаров В.К. и др. Экспериментальное исследование взаимодействия всплывающего пузырька с наклонной плоской пластиной // Механика жидкости и газа. 1997, №3, с130-137.

18. Горяинов И.Н., Грамберг И.С., Смекалова A.C., Тихомиров Ю.В. К вопросу о закономерностях распределения проявлений глубоководных сульфидов в мирвом океане (гипотеза"мантийных спикул") // Докл. АН СССР, 1989, т.306, №.5, с.1185-1188.

19. Григорян C.B. Рудничная геохимия, М. Недра. 1992.

20. Гуляева JI.A. Микроэлементы в геохимии нефти. М.: Недра. 1968, с. 163172.22 .Гуляева JI.A., Пунанова. С.А. Микроэлементы в осадочных породах, пластовых водах, организмах и нефтях Я Докл. АН СССР Т218, 1974, №1, с. 196-198.141

21. Дерягин Б.В., Зорин. З.М., Соболев В.Д., и др. О природе сквозных ру-доконтролирующих структур. Сб. "Сквозные рудоконтролирующие структуры ". М., Недра, 1989, с.5-9.

22. Дерягин Б.В., Зорин. З.М. Свойства тонких слоев воды вблизи твердых поверхностей. Сб. "Связанная вода в дисперсных системах", 1980, вып.5, с.4-13.

23. Себба Ф. Ионная флотация. М. Металлургия, 1965, 172 с.

24. Дортман Н.Б. Петрофизика Справочник. Книга первая. Горные породы и полезные ископаемые. М., Недра, 1992, 391с.

25. Духанин A.C. Распределение тяжелых металлов в газовых пробах месторождений полезных ископаемых. Сб. "Тезисы докладов Второй Всесоюзной конференции по анализу неорганических газов". Л., ЛГУ, 1990, с.255-256.

26. ЗО.Зорькин Л.М. Воды нефтяных и газовых месторождений СССР. М.:Недра, 1989, 382с.

27. Зорькин Л.М. Геохимия газов пластовых вод нефтегазоносных бассейнов. М., недра, 1973,224с.

28. Калинко М.К. Геология и геохимия нафтидов. М., Недра, 1987, 242с.

29. Карцев A.A., Вагин. С.Б., Матусевич. В.М. Гидрогеология нефтегазоносных бассейнов. М., недра, 1986,224с.

30. Комаров В.А. Геоэлектрохимия. СПБ, 1994,136с.

31. Крайча Я. Газы в подземных водах. М.: Недра, 1980, 343с.

32. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М., Недра, 1980, 216с.142

33. Матусевич. В.М. Геохимия подземных вод Западно-Сибирского нефтегазового бассейна. М., Недра. 1976, 157с.

34. Меликадзе Л.Д. и др. К изучению микроэлементов нефти Грузии. Тбилиси, Мецнеереба, 1976.

35. Надиров Н.К., Котова. A.B. Камьянов. В.Ф., Металлы в нефтях. Алма-Ата, Наука, 1984,448с.40.0рлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере. М., недра, 1993, 237с.

36. Пунанова С.А. Микроэлементы в нефтях и их использование при геохимических исследованиях. М., Недра, 1974,216с.

37. Пунанова С.А. Микроэлементы как показатели генетичесого типа рассеянного органичесого вещества. В сб. Современные методы определения металлов в нефтях, битумах и продуктах их переработки. Л: ВНИГРИ, 1991. с.53-55.

38. Путиков О.Ф. Геоэлектрохимические методы поисков и разведки. С.Петербург: СПбГГИ, 1993. 117с.

39. Путиков О.Ф. К распределению концентрации в гидрохимических ореолах // Изв. АН СССР, Физика Земли. 1969, №.4, с. 104-111.

40. Путиков О.Ф. К распределению концентрации в эманационных и гидрохимических ореолах. Записки ЛГИ, Т.2, вып.3,1974, с

41. Путиков О.Ф. Основы теории геоэлектрохимических методов разведки. Л.: Издательство ЛГУ, 1987, 176с.

42. Путиков О.Ф. Теория пленочных ореолов. Записки ЛГИ, Т.14, вып.2, 1974, с

43. Путиков О.Ф., Духанин A.C. О возможном механизме формирования "струйных" ореолов рассеяния // ДАН, 1994, Т.338, №.2, с.219-221.

44. Путиков О.Ф., Духанин A.C., Машьянов Н.Р. К обоснованию физико-математической модели "струйных" ореолов рассеяния // Российский геофизический журнал, 1994, №.2, с.5 10.

45. Путиков О.Ф., Квятковский Е.М., Рысс Ю.С. Влияние естественного электрического поля на динамику рассеяния компонентов в ореолах рудных месторождений. Тезисы докл. IV Всесоюзной Симпозиума143

46. Кинетика и динамика геохим. процессов" // АН СССР, АН УССР, Киев, Наукова Думка, 1983, с.

47. Путиков О.Ф., Ермохин K.M. Теория " струйных" ореолов рассеяния в методе ЧИМ для однородных вмещающих горных пород // Вопрос геофизики . 1994, №33, ccl 59-164.

48. Путиков О.Ф., Вешев С.А., Ворошилов .H.A., Алексеев .С.Г., Вэнь Бай-хун, Чжоу Цзыюн. Струйные ореолы рассеяния тяжелых металлов нефтегазовых месторождений и их использование при оценке параметров залежей // Докл. АН, 2000, т.370, №.5, с.668 671.

49. Путиков О.Ф., Вешев С.А., Алексеев С.Г. ,Чжоу Цзыюн, Касьянкова H.A. Струйные ореолы рассеяния над нефтегазовыми залежами в неоднородных породах // Геофизика. 2000, №.1, с. 52 56.

50. Рысс Ю.С. Геоэлектрохимические методы разведки (Введение в гео-элекгрохимию). Л.:Недра, 1983. 255с.

51. Рысс Ю.С., Гольдберг И.С., Алексеев С.Г., Духанин A.C. Струйная миграция вещества в образовании вторичных ореолов рассеяния // ДАН СССР, 1987, Т.297, N4, с.956-958.

52. Рысс Ю.С., Гольдберг И.С., Васильева В.И. и др. Возможность применения геоэлектрохимических методов для поисков нефтегазовых место-рождений//Советская геология. №.6, 1990. с.28-33.

53. Рысс. Ю.С. Методы разведочной геофизики использование геоэлектрохимических методов при писках и разведки рудных месторождений. Л. 1989,127с.144

54. Рысс Ю.С. Методы разведочной геофизики. Исследование и применение физико-химических и геоэлектрохимических процессов при поисках полезных ископаемых. Л. 1982, 115с.

55. Семенов A.C. Электроразведка методом естественного электрического поля. Л.: Изд-во ЛГУ, 1955.445с.

56. Соколов В.А. Миграция газа и нефти. М.: Наука, 1956, 352с.

57. Соколов В.А., Геохимические методы поисков нефтяных и газовых месторождений. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 650с.

58. Соколов. В.А. Геохимия природных газов. М. Недра. 1971, 336с.

59. Старобинец Н.С., Курганская. Э.В. Микроэлементы в газоконденсатах и их геохимическое значение // Докл. АН СССР т.245, №.2, 1979, с445-457.

60. Товбин Ю.К. Теория физико-химических процессов на границе газ -твердого тела., М. Наука, 1990,287с.

61. Физико-химические основы прямых поисков залежей нефти и газа. // О.Л. Кузнецов, A.B. Петухов, Л.М. Зорькин и др. Под. Ред. Е.В. Каруса, М, 1986, 336с.

62. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991.521с.

63. Фридман А.И. Природные газы рудных месторождений. М., Недра, 1970,192с.

64. Хайретдинов И.А. Введение в электрогеохимию. М. Науки, 1980.

65. Хайретдинов И.А. Основы электрогеохимии литогенеза и гидротермального процесса. М. наука, 1982.

66. Хайретдинов И.А. Основы электрогеохимии магматических и метаморфических процессов. М. наука, 1990.

67. Хитаров Н.И., Кравцов .А.И. и др. Газы свободных выделений Хибинского массива // Советская геология, 1979, №.2, с.62-73.

68. Чахмахчев В.А., Пунанова С.А. Геохимия микроэлементов в нефтегазо-пойсковой геологии. М., ВНИИОЭНГ, 1984.145

69. Чжоу Цзыюн, Путиков ОФ., Касъянкова Н.А. Возможности оценки параметров нефтегазовых залежей путем решения обратной задачи геоэлектрохимических методов // Сборник трудов молодых ученых, СБГГИ, 1999, вып.4,с.24 26.

70. Швец В.М. Органические вещества в подземных водах. М., Недра, 1973,190с.

71. Шехмер С.Э. ПАВ из нефтяного сырья. Л. химия. 1971,488с.

72. Щербаков А.В., Козлова Н.Д. Распространенность водорода в подземных флюидах и связь аномально высоких его содержаний с глубинными разломами на территории СССР // Геотектоника, 1986, №.2, с.56-66.

73. Velocity floating-up of bubble in liquid // Chem. Eng. Res. and Des. 1994, 1(72)

74. Alekseev. S.G. etc. Some aspects of practical use of geoelectrochemical methods of exploration for deep-seeded mineralization // Geochemical exploration. V56, June, 1996.

75. A1-Saigh N.H. etc. Detection of water leakage from dams by self potential method // Eng. Geol. V37, N2, Jun, 1994, pi 15-121.

76. Aubert. M., Atungana. Q. Yene. Self-potential method in hydrogeological exploration of volcanic areas // Ground water. 346 Dec. 1996. P1010-1016.

77. Furness Peter. Finite different model for mineral self-potential in complex environments // J. Appl. Geophysics. V 32,2-3 Aug., 1994, p235-243.146

78. Lile Ole Bernt. Self potential anomaly over a sulphide conductor test for use as a current source // J. Appl. Geophysics. 36,2-3 Dec-1996.

79. Sundarajal. N. Modified Hibert transform and it's application to self-potential interpretation // J. Appl. Geophysics. 36, 2-3 Dec-1996, pl37-143.

80. Wilt Michal etc. Low-cost geotheromal exploration at Amedee hot spring use self potential and magnetic // J. Geotherm. Resor. VI7.1993, proceeding of the 1993 annual meeting on utilities and geothemal. 1993, p459-463.

81. Zhen Zhao Bi Исследование естественного геоэлектрического потенциала на станции Дзяшан // Xi bei dizhen xuebao.= northwest seisual journal. 1995, 17 №2, c57-62.1. Фондовая

82. Васильева В.И., Ворошлов H.A. Отчет по теме "Разработать технологию выявления и оценки нефтегазовых месторождений геоэлектрохимическими методами". ВИРГ-Рудогеофизика, 1994, 118с.