К оглавлению журнала

 

УДК 504 55

А.И. ЧИСТОВСКИЙ (ВО ИГиРГИ)

Изучение поглощающих горизонтов на участках сброса сточных вод с целью охраны геологической среды

Изучение поглощающих горизонтов на участках сброса сточных вод в настоящее время нельзя признать удовлетворительным. Несмотря на существующие методические рекомендации [3] и инструкции, такое изучение проводится крайне редко. Причины этого заключаются в плохо организованном контроле за количеством сбрасываемой жидкости, отсутствии сведений о начальном и текущем пластовом давлении в поглощающем горизонте, низком качестве исследования поглощающих скважин и др. Совершенно неизученными остаются важнейшие гидрогеологические параметры поглощающих горизонтов – гидро- и пьезопроводность. Последние позволяют на вновь организованных участках сброса путем расчета прогнозировать изменение давления в процессе закачки. Сопоставляя прогнозные (расчетные) давления с фактическими, можно установить, изолирован ли поглощающий горизонт от выше- и нижележащих отложений, т. е. ответить на один из главных вопросов охраны геологической среды при сбросе сточных вод. Таким образом, основными задачами изучения поглощающих горизонтов на участках сброса сточных вод, на наш взгляд, являются: 1) определение гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов – гидро- и пьезопроводности; 2) прогнозирование с помощью гидродинамических расчетов изменения давления в поглощающем горизонте в процессе закачки; 3) наблюдение за изменением пластового давления при сбросе и определение изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений.

Ниже рассмотрены способы решения этих задач на конкретных примерах по фактическому материалу участков сброса сточных вод нефтепромыслов на территории Куйбышевской области.

На Мухановском и Дмитриевском участках поглощающие горизонты представлены карбонатными породами окско-серпуховского возраста, закарстованными в период континентального этапа геологической истории в краснополянско-протвинско-среднекаменноугольное время. На Красноярском участке сброса поглощающие горизонты включают карбонатные породы верхнедевонского возраста, закарстованные в добобриковское и бобриковское время на значительно большую мощность в связи со специфическими условиями залегания на борту Камско-Кинельской системы прогибов [2]. Глубины залегания, сведения о мощности поглощающих горизонтов, пластовых давлениях и другие характеристики приведены в табл. 1.

Для оценки гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов использованы сведения о приемистости поглощающих скважин, исследованных на Дмитриевском участке. По данным исследования скважин на приемистость строились индикаторные диаграммы зависимости приемистости Q от перепада давлений Dр, забойного и пластового. Забойное давление определялось как сумма давления вертикального столба пресной воды, используемой при исследовании скважин на приемистость, и давления закачки, фиксируемого манометром на устье скважины. Так как большинство поглощающих скважин бурилось наклонно-направленно, вертикальный столб воды определялся с учетом удлинения ствола скважины. В зависимости от условий исследования скважины на приемистость при определении забойного давления следует учитывать также гидравлические сопротивления на трение при движении жидкости в ее стволе. Величину давления на преодоление этих сопротивлений следует вычитать из суммы давлений закачки и столба жидкости. Давление на преодоление сопротивлений можно определить по формулам классической гидравлики:

где l — коэффициент гидравлических сопротивлений, численно зависящий от режима движения; Н, d — соответственно длина и диаметр труб, м; с — скорость движения жидкости, м/с; g — ускорение силы тяжести, м/с2; d — относительная плотность жидкости;

где Q – дебит, м3/сут.

Поскольку при исследовании скважин на приемистость закачка воды проводилась в затрубное пространство между 152,4-мм обсадной колонной и 63,5-мм насосно-компрессорными трубами, вместо d в формуле (1) использовано значение гидравлического радиуса R, при этом d = 4R, где R = (r1–r2)/2. Для рассматриваемого случая: R = (0,075–0,036)/2 = 0,02; 4R = 0,08.

Рассмотрим конкретный пример закачки воды в скв. 702, где из-за высокой приемистости следует ожидать максимально возможные гидравлические сопротивления на трение. Число Рейнольдса

Re = cd/v, (3)

где v – кинематическая вязкость жидкости. При Q = 1944 м3/сут, с = 1,67 м/с Re = 1,67·0,08·1002/0,01 = 133600, что указывает на турбулентный режим движения. Значение l определяется по номограмме в зависимости от числа Рейнольдса и параметра d/k1, где k1 – значение эквивалентной шероховатости – определяется в зависимости от состояния стенок труб: k1=0,5; d/k1 = 0,08·1000/0,5 = 160; l = 0,03; рт =0.03·1820·1.672/(0.08·2·9.81·10)=0,97 МПа. При Q==2796 м3/сут, с=2,3 м/с, рт=1,84 МПа.

Из приведенного выше, расчета следует, что величина гидравлических сопротивлений существенно влияет на величину Dр = рзаб–рпл. В связи с этим аналогичные расчеты были проведены по всем тринадцати исследованным скважинам и величина Dр определена с учетом гидравлических сопротивлений. Учет последних можно в принципе осуществить и в процессе непосредственного исследования скважин на приемистость, если установить дополнительный манометр на устье скважины в трубках или в затрубном пространстве в зависимости от способа закачки (в затрубное пространство или в трубки). Замеряемое этим манометром давление будет отличаться от давления закачки на величину гидравлических потерь давления.

Величины приемистости и перепады давлений с учетом гидравлических потерь на сопротивление были использованы для построения индикаторных диаграмм (рис. 1). По пяти скважинам индикаторные диаграммы оказались прямолинейными, по остальным – выпуклыми по отношению к оси дебитов (приемистости). Для первых использован общеизвестный метод определения гидропроводности пласта. По индикаторной, диаграмме определяется коэффициент продуктивности пласта h, а затем гидропроводность по формуле

Для остальных скважин использован рекомендованный в специальной литературе [1] способ обработки индикаторных диаграмм в системе координат Dp/Q и Q (рис. 2). Если в этой системе кривые диаграмм не спрямляются, то результаты исследования признаются дефектными. Для спрямленных кривых определяется отрезок А, отсекаемый прямой на оси Dp/Q. Как показано в работе [1]

При Rк = 100 м и rс = 0,1 м по скв. 709 kh/m = 2,3·3/2·3,14·2,0 = 5493 мкм2·см/мПа·с.

Результаты определения гидропроводности и усредненной проницаемости по данным исследования скважин на приемистость показывают, что поглощающие горизонты характеризуются в целом вполне нормальными усредненными значениями проницаемости (табл. 2). Аналогичные значения характерны для пласта А4 среднего карбона на большинстве нефтяных месторождений Куйбышевской области, который по литологическому составу и условиям формирования коллекторов имеет большое сходство с рассматриваемым поглощающим горизонтом окско-серпуховских отложений. Проведенные расчеты указывают на принципиальную возможность использования результатов исследований скважин на приемистость для приближенной оценки гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов. Для прогнозирования во времени изменения давления на участке сброса целесообразно использовать максимальные значения гидропроводности для того, чтобы получить минимальные значения изменения давления. В этом случае сопоставление фактических давлений с расчетными позволяет однозначно выявить наличие или отсутствие связи поглощающего горизонта с выше- и нижележащими отложениями. При наличии такой связи фактическое изменение давления на участке сброса будет существенно ниже расчетного. Если фактическое изменение давления близко к расчетному или выше его, то поглощающий горизонт изолирован от выше- и нижележащих. С учетом этого для решения второй и третьей задач выбираем следующие гидродинамические параметры: гидропроводность 10000 мкм2см/мПа·с, проницаемость 0,4 мкм2. Определим значение пьезопроводности по формуле:

где k – проницаемость, мкм2; m – коэффициент пористости, для сильно кавернозных карбонатных коллекторов принимается равным 0,2. Коэффициенты сжимаемости для воды bв и породы bп соответственно 3 • 10-6 и 10-6 1/МПа.

Для прогнозирования изменения во времени давления в зоне закачки сточных вод используем формулу:

где Qi – интенсивность закачки, см3/с; t – время закачки, с; Qi = 10 млн. м3/год = 0,32-106 см3/с; r – радиус укрупненной скважины, на основании замера площади участка сброса и с учетом его конфигурации принимаем равным r= 1,5 км = 1,5·105 см; Ei(x) – интегральная показательная функция, значения которой табулированы. Остальные обозначения см. выше. При t= 1 год= 3,15·107 с

С учетом этой величины для расчетов с точностью до 0,5 % можно использовать приближенную формулу, в которой:

Аналогичные расчеты выполнены для t = 5; 10; 15; 20; 25 лет. Изменение давления для этих отрезков времени составило соответственно 1,5; 1,7; 1,8; 1,87; 1,9 МПа. Результаты расчетов отражены на рис. 3.

Указанные выше и на рис. 3 значения Dр будут заниженными, так как для расчета использованы максимальные значения гидропроводности.

Сопоставляя фактическое изменение пластового давления с расчетным, можно оценить надежность изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений (третья задача). Поясним сказанное на примере Мухановского участка сброса. Для расчета используем значения параметров поглощающего горизонта: kh/m=10000 мкм2·см/(мПа·с); c=25000 см2 (по аналогии с Дмитриевским участком). Объем закачки Qi = 10 млн. м /год, продолжительность закачки t = 20 лет, радиус укрупненной скважины (с учетом площади и конфигурации участка сброса) r = 2,5 км. Получим:

Фактическое изменение (увеличение) давления в поглощающем горизонте на участке сброса (0,2–0,3 МПа) оказалось почти на порядок меньше расчетного, что указывает на отсутствие изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений. Связь его с вышележащими отложениями была подтверждена также прямыми гидрогеологическими наблюдениями.

Рассмотрим решение третьей задачи на примере эксплуатации Красноярского участка сброса сточных вод. Сведения об этом участке приведены в табл. 1. Надежных данных для оценки гидрогеологических параметров получить не удалось. Однако и в этих условиях можно выполнить хотя бы приближенную оценку изоляции поглощающего горизонта от выше- и нижележащих отложений, если принять те же гидрогеологические параметры, что получены для Дмитриевского участка. Хотя мощности поглощающего горизонта на Дмитриевском и Мухановском участках значительно ниже (примерно в 2 раза), значение гидропроводности, как одной из главных определяющих величин, отличается не столь существенно. На это указывают близкие значения приемистости поглощающих скважин, составляющие для Красноярского участка также 1000–1200 м3 /сут при давлениях закачки 2–2,5 МПа. Для оценки изменения давления на Красноярском участке принимаем следующие параметры: kh/m = 10 000 мкм2·см/мПа·с; c = 25000 см2/с; время закачки 20 лет = 0,63·109 с; радиус укрупненной скважины r = 2000 м = = 2·104 см; интенсивность закачки Qi = 2,5 млн. м3/год = 8·104 см3/с.

Фактическое повышение давления в пласте (0,4 МПа) оказалось одного порядка с расчетным (0,72 МПа). При столь больших допущениях можно принять фактическое изменение давления близким к расчетному. На основании этого можно предположить, что поглощающий горизонт не связан с выше- и нижележащими отложениями.

Рассмотренные поглощающие горизонты окско-серпуховских отложений нижнего карбона и фаменских отложений верхнего девона характеризуются “нормальными” значениями гидрогеологических параметров (проницаемость, пластовое давление, пьезопроводность). Повышенная гидропроводность, по-видимому, связана с большими мощностями поглощающих горизонтов.

Реализация рекомендованных методических приемов изучения поглощающих горизонтов будет способствовать рациональной с точки зрения охраны недр эксплуатации участков сброса сточных вод.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Бузинов С.П., Умрихин И.Д. Гидродинамические методы исследования скважин и пластов.–М.: Недра.– 1973.
  2. Зайдельсон М.И. Гидрогеологические условия карбонатной толщи верхнего девона на юго-восточном склоне Жигулевского свода в связи с перспективами нефтеносности //Труды КуйбышевНИИНП. Куйбышев.– Вып. 36.– 1966.– С. 143–150.
  3. Плотников Н.И., Керкис Е.Е., Лехмияки Э.В. Гидрогеологические исследования для установления условий сброса сточных вод в глубокие водоносные горизонты // В кн.: Справочное руководство гидрогеолога. Том 2.– Л.:– 1967.– С. 166–190.

Таблица 1 Геолого-гидрогеологическая характеристика поглощающих горизонтов на участках сброса сточных вод

Глубина залегания, м

Стратиграфический горизонт

Мощность, м

Количество закаченной жидкости, млн. м3

Продолжительность закачки, годы

Количество скважин

Пластовое давление, МПа

Абсолютная отметка замера давления, м

начальное

текущее

Год замера

Мухановский участок

1600–1900

C1s

150–250

225

25

7–27

17,6 (1960г.)

17,9 (1985г.)

– 1500

Дмитриевский участок

1740–2040

C1s

140–230

0

0

14

17,84 (1987 г.)

– 1500

Красноярский участок

1650–2100

D32

400–450

50

20

4

23,9 (1965 г.)

24,3 1987 г.)

–2060

Таблица 2 Результаты оценки гидрогеологических параметров поглощающих горизонтов по данным исследования скважин на приемистость

Номер скважины

Интервал зоны поглощения, м

Гидропроводность, мкм2·см/(мПа·с)

Осредненная проницаемость, мкм2

702

1820–2010

7635

0,402

704

1850–2020

2545

0,150

706

1790–2020

2497

0,109

707

1820–2020

4944

0,247

708

1850–2020

1590

0,094

709

1890–2020

5493

0,422

714

1850–2020

5090

0,300

710

1780–1950

43 949

2,585

712

1745–1980

4238

0,180

Рис. 1. Индикаторные диаграммы зависимости приемистости (Q) от перепада давлений (р) для поглощающих скважин Дмитриевского участка

Рис. 2. Индикаторные диаграммы для определения параметров поглощающего горизонта на Дмитриевском участке сброса

Рис. 3. Прогноз изменения (возрастания) пластового давления в зоне сброса сточных вод на Дмитриевском

Сайт создан в системе uCoz