CC BY
98
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2014 Геология Вып. 2 (23)
ГЕОЛОГИЯ, ПОИСКИ И РАЗВЕДКА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
УДК 553.982.2
Оценка эффективности разработки месторождения нефти по его реакции на динамическое воздействие сейсмических волн
В.С. Дружинин3, О.А. Кусонскийа, В.А. Силаевъ
Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наук (ИГФ УрО РАН). 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 100. E-mail: druvs@mail.ru, zavlab@arudaemon.gsras.ru ьЗАО «Институт развития организованных структур топливно-энергетического комплекса (РОСТЭК)», Пермь. E-mail: inros95@mail.ru
(Статья поступила в редакцию 12 октября 2013 г.)
Оценить текущее состояние разрабатываемого месторождения нефти, видимо, можно по отклику нефтеотдачи пластов на динамическое воздействие сейсмических объёмных волн удалённых землетрясений. Нефтеотдача пластов месторождения, сохранившего свою единую гидродинамическую систему, будет реагировать на такое воздействие.
Ключевые слова: сейсмические волны, нефтеотдача пластов, гидродинамическая система месторождения.
Месторождение нефти представляет техногенных воздействий. Одним из та-
собой естественное скопление жидких уг- ких воздействий является собственно раз-
леводородов, приуроченное к одному или работка месторождения и влияние на него
нескольким пластам-коллекторам с еди- технических методов, которые применя-
ной гидродинамической системой [9]. Со- ются при добыче (в основном нагнетание
гласно новой концепции о геолого-геофи- в скважины воды для создания повышен-
зической среде, предложенной школой ного пластового давления). В основе ме-
акад. М.А. Садовского, и концепции, ханизма развития среды лежит нелиней-
предполагающей значительную роль глу- ная объёмная положительная обратная
бинного фактора в генерации нефти и об- связь, обеспечивающая плавный рост во
разовании месторождений [3], залежь времени характерных параметров по все-
можно представить в виде нелинейной му пространству среды, и наличие перио-
модели, имеющей пространственно-вре- дов сверхбыстрого нарастания процессов,
менную структуру и обладающей свой- когда характерные величины неограни-
ствами, принципиально отличными от ченно возрастают за конечное время, так
свойств линейных моделей [8, 2]. Геоло- называемых «режимов с обострением»
го-геофизическая нелинейная открытая [5]. В конкретном случае при разработке
среда месторождения эволюционирует месторождения можно предполагать на-
под действием различных природных и личие такой связи параметра нефтеотдачи
© Дружинин В.С., Кусонский О.А., Силаев В.А., 2014
76
пластов с каждой точкой (элементарным объёмом) среды залежи, вмещающей её структуры и глубинных источников нефтяной провинции. Элементарные объёмы характеризуются определённым набором свойств. При оптимальной эффективной разработке месторождения происходит обратимая структурная перестройка среды, неизбежно связанная с изменением общего объёма и формы соответствующей области среды. При этом можно ожидать квазистабильной нефтеотдачи пластов или её плавного роста, а также «режимов с обострением» - резкого возрастания нефтеотдачи пластов за ограниченное время, обусловленного поступлением нефти из глубинных источников. При неэффективной разработке месторождения, когда в результате нагнетания в скважины избыточного количества воды происходят разрывы пластов и другие негативные явления, будут наблюдаться необратимая перестройка структуры среды месторождения, нарушение единой гидродинамической системы пластов-коллекторов, в результате чего перестанет существовать нелинейная объёмная обратная положительная связь параметра нефтеотдачи с каждой точкой среды месторождения. Следует ожидать деградации нефтеотдачи пластов, уменьшения степени извлечения нефти из недр и увеличения величины остаточных запасов по сравнению с первоначальными геологическими запасами месторождения. Но и в этом случае, по-видимому, возможна релаксация среды с восстановлением общей гидродинамической системы резервуара месторождения при условии прекращения техногенного воздействия на неё (прекращение разработки месторождения) в течение какого-то конечного периода времени. После этого нефтеотдача пластов может вернуться к прежнему уровню, что, например, наблюдалось на некоторых месторождениях в Чеченской Республике.
По мнению авторов оценить текущее состояние разрабатываемого месторождения как открытой нелинейной по физическим свойствам и характеру протекающих
динамических процессов геолого-геофи-зической среды можно по отклику пластов (нефтеотдаче) на динамическое воздействие на них энергии упругих объёмных сейсмических волн удалённых сильных землетрясений.
Условия проведения исследований
По техническим и организационным причинам для исследований было взято небольшое месторождение нефти - Утул-гинское, находящееся в ведении ЗАО «РОСТЭК», расположенное в непосредственной близости от крупного Краснояр-ско-Куединского месторождения, принадлежащего ООО «Лукойл-Пермь» (Пермский край). Месторождение находится на Куединском валу Башкирского свода. Продуктивные пласты расположены в интервале глубин 1440-1450 м в пределах тульско-бобриновского горизонта нижне-средневизейского комплекса, сложенного мелкозернистыми песчаниками с прослоями алевролитов и карбонатов. Производительность скважин 6-40 т/сут. Суточная нефтеотдача пластов варьирует в пределах ±6% среднемесячного значения. Предполагается, что в случае эффективной разработки месторождения следует ожидать некоторой зависимости вариаций нефтеотдачи пластов от воздействия на них энергии объёмных сейсмических волн удалённых землетрясений.
Анализировались показатели посуточного отбора нефти в течение 2010 г. в зависимости от энергии объёмных сейсмических волн удаленных землетрясений, зарегистрированных в течение суток. В работе использовались оценочные величины энергии упругих объёмных сейсмических волн, которые достигли места залегания нефтяных пластов. Методика оценки энергии упругих волн основывалась на анализе записей процесса колебания грунта в месте расположения сейсмоприёмников. При обработке сейсмограмм применялась шкала магнитуд, являющаяся, по существу, энергетической шкалой
[6].
Определение магнитуд удаленных землетрясений осуществлялось по сейсмограммам, полученным на сейсмостанции «Арти», расположенной на расстоянии около 150 км от анализируемого месторождения нефти. Сейсмостанция «Арти» (географические координаты 56.429201° с. ш., Е58.561369° в. д.) размещена на восточной окраине Восточно-Европейской платформы (Предуральский краевой прогиб), в пределах которой залегает и исследуемое месторождение. В сейсмическом отношении район является слабоактивным. Здесь регистрируется до 2 - 3 отдельных слабых землетрясений в год. В связи с этим сделано допущение, что оценочные величины энергии упругих объёмных сейсмических волн от телесейсмиче-ских событий, регистрируемых на сейсмостанции «Арти», примерно будут равны энергии этих же волн в местах разработки месторождений. Суммарная энергия сейсмических волн, проходящих через месторождение за сутки, принята равной сумме магнитуд зарегистрированных удалённых землетрясений в период с 0 по 24 час. ит. Магнитуды землетрясений получены в процессе обработки сейсмограмм на сейсмостанции «Арти», принятых в соответствии с инструкцией [4]. Они опубликованы в ежедекадных сейсмологических бюл-
летенях, выпускаемых Г еофизической службой РАН.
Регистрация сейсмических волн проводилась с помощью сейсмостанции ARU IRIS/IDA, оснащённой широкополосными сейсмометрами STS-1V VBB Streckeisen и короткопериодными GS 13 Teledyne-Geotech. Сейсмометры размещены в специальном подземном сооружении на бетонном постаменте, который сооружен на поверхности прочных скальных пород -кварцевых песчаников. Это повышает чувствительность станции к регистрации относительно слабых удалённых сейсмических событий, что позволяет получить более полную картину по произошедшим землетрясениям и точнее оценить суммарную энергию сейсмических объёмных волн. Обработка сейсмограмм и определение магнитуды землетрясений проводились на ПК с помощью программы WSG
[7].
Сейсмостанция «Арти» ежедневно регистрирует от 3-8 до 22-46 и даже 90 удалённых землетрясений в день, имеющих магнитуду больше 3. Так, в 2010 г. было зафиксировано 3579 таких землетрясений (рис. 1). Их эпицентры расположены в основном на Евро-Азиатском континенте.
1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 301 321 341 361
День, 2010 год
Рис. 1. Количество телесейсмических землетрясений, регистрируемых сейсмостанцией «Арти» в сутки в течение 2010 г.
Рис. 2. Сопоставление величины отношения суточной нефтеотдачи пластов к среднемесячному значению (А) и суммы магнитуд удалённых землетрясений за сутки (Б) в январе 2010 г.
Рис. 3. Корреляционное поле относительной нефтеотдачи пластов и энергетической характеристики (сумма магнитуд) удалённых землетрясений, зарегистрированных в тот же день
Рис. 4. Корреляционная зависимость относительной нефтеотдачи пластов, наблюдавшихся через два дня после регистрации удалённых землетрясений
Процесс генерации сейсмической энергии практически непрерывен во времени и носит вариационный характер. Энергия, которая переносится в земной коре упругими объёмными волнами, излучаемыми землетрясениями, может быть огромной. Она оказывает воздействие на геоло-го-геофизическую среду месторождения по всему объёму.
Так, например, для рудников Верхне-Камского месторождения калийных солей установлена связь между уровнем сейсмической активности и удаленными землетрясениями [1].
Кроме динамического воздействия сейсмических колебаний от удалённых землетрясений пласты испытывают также влияние объёмных упругих волн сейсмических шумов, генерируемых геосредой. Сейсмические колебания шумов в тех же диапазонах частот, что и у сейсмических волн землетрясений, регистрируются непрерывно. Амплитуда этих волн изменяется в широких пределах - от небольших по величине в спокойной среде и на несколько порядков больше в случае возникновения «сейсмических бурь». Сейсмические бури могут длиться несколько дней и хорошо идентифицируются на сейсмограммах. Суммарная суточная энергия сейсмических шумов, регистрируемая в точке наблюдения, соизмерима по величине с энергией сейсмических волн от уда-
ленных землетрясений средней силы. В связи с этим при анализе данных необходимо учитывать состояние поля сейсмических шумов.
Результаты исследований
Получена зависимость величины суточной добычи нефти на месторождении Утулгинское от показателя энергии сейсмических волн - суммарной величины магнитуд удалённых землетрясений, зарегистрированных сейсмостанцией
«Арти» за сутки. При анализе зависимости в первом приближении использован математический аппарат, который применяется в случае линейных моделей, -установление корреляционных связей между двумя параметрами. Вариации суммарной величины магнитуд землетрясений находят отражение в графике отклонения суточной добычи нефти по сравнению со среднемесячным показателем.
Выявлены периоды времени, когда имела место чёткая зависимость увеличения суточной добычи нефти на месторождении, наблюдавшаяся через 1 - 2 дня после возрастания значений энергетической характеристики сейсмических объёмных волн, а также периоды времени, где такая зависимость проявлялась слабее или вовсе не устанавливалась. В качестве примера периода устойчивого протекания
процесса приведём данные за январь 2010 г. (рис. 2).
Отмечалось увеличение добычи нефти через 1 - 2 дня после возрастания энергетической характеристики (рис. 3, рис. 4). Так, 1 - 2 января наблюдался рост энергетической характеристики до 55, затем 3 января - её снижение до 30. На графике добычи нефти отмечалось приращение показателя 3 - 4 января на 5.5%, затем падение в течение 5 - 6 января до 1% среднемесячного уровня. С 4 по 11 января энергия регистрировалась примерно на уровне 14 - 24, а 12 января возросла до 70, 13 января - до 80. На графике добычи нефти с 4 по 13 января наблюдалось снижение на 5%, а затем 14 января произошел резкий рост на 6% среднемесячного значения. Аналогичная картина приращения добычи через 1 - 2 дня после повышения регистрируемой энергии наблюдалась и в последующие дни января. Так, повышение энергии отмечалось с 23 по 30 января до 60, после чего 31 января наблюдалось приращение добычи на 4%. Уравнение зависимости имеет вид
у = 0.9724 + 0.0009х , гдеу - относительная суточная нефтеотдача пластов; х - сумма магнитуд удалённых землетрясений, зарегистрированных за сутки. Коэффициент корреляции 0.56.
Коэффициент корреляции 0.56 не высок, но вполне значим для такого процесса, так как на него накладывается техногенное воздействие на пласты, что может исказить зависимость.
Обсуждение результатов
На примере Утулгинского месторождения нефти было установлено, что вариации величины нефтеотдачи могут в определённые периоды времени зависеть от энергии упругих сейсмических колебаний удалённых сильных землетрясений и сейсмических бурь. В другие периоды такая связь ослабевает и затем вовсе не прослеживается. Объяснение этому факту можно дать, наделив геолого-геофизическую
среду, в данном случае это продуктивные пласты нефти и вмещающие месторождение геологические структуры, нелинейными свойствами. Благодаря нелинейности среды при определённых условиях имеет силу важнейший принцип - усиление флуктуаций. В эти периоды большое влияние на нефтеотдачу могут оказывать малые геофизические события, что было выявлено. Связь вариаций нефтеотдачи пластов с энергетической характеристикой объёмных сейсмических волн удалённых землетрясений развивается в январе 2010 г. ламинарно, затем прерывается статистически распределёнными промежутками нерегулярной связи и становится полностью хаотичной в феврале - марте 2010 г. В нелинейных системах такие переходы к хаосу обуславливаются универсальным механизмом генерации фликкер-шума или шума мерцания, который изучен многими исследователями.
Можно сделать вывод, что открытая геологическая среда, включающая месторождение нефти, находится в неустойчивом состоянии и продолжает развиваться через неустойчивость, через случайные влияния на неё геофизических факторов, таких, например, как энергия сейсмических упругих колебаний землетрясений. Это может свидетельствовать о месторождении как о системе, сохранившей в процессе эффективной разработки единую пространственно-временную структуру. В нашем случае можно предположить, что объём добычи нефти, если технологию её извлечения из скважин не форсировать специальными способами, будет иметь длительную квазистационарную стадию (с медленным монотонным ростом величины добычи). С наступлением конечного промежутка времени, в течение которого действие малого геофизического возмущения резко возрастёт благодаря нелинейной положительной обратной связи, будет наблюдаться сверхбыстрый (гиперболический) рост показателя добычи - «режима с обострением», говорящего о том, что на месторождении в будущем можно ожи-
дать значительного повышения нефтеотдачи пластов.
Заключение
Выполненные в ограниченном объёме исследования показали, что вариации показателя отбора нефти на Утулгинском месторождении (Пермский край) можно рассматривать в качестве тензочувстви-тельного элемента к воздействию на геологическую структуру и продуктивные пласты геофизических факторов, таких как сейсмические объёмные волны от удалённых землетрясений. Геологическая структура месторождения находится в неустойчивом состоянии, здесь сохранилась единая гидродинамическая система пластов и подводящих глубинных каналов. Месторождение продолжает развиваться. Здесь можно ожидать существенного повышения нефтеотдачи пластов за счёт поступления нефти из глубинных источников. Работы следует продолжить на крупном месторождении нефти с корректировкой временного интервала отбора и учёта воздействий технологического плана. Представляет интерес анализ времени запаздывания (реакции пласта на воздействие сейсмических волн) в разных частях крупного месторождения и одновременно с Утулгинским с целью выяснения природы этого явления и наличия возможных каналов связи месторождений с едиными глубинными источниками нефтяной провинции.
Работа выполнена при федеральной поддержке Уральского отделения РАН: проекты 12-И-5-2067, 12-Т-5-1018.
Библиографический список
1. Белевская М.А., Верхоланцев Ф.Г. Удалённые землетрясения как фактор, влияющий на сейсмическую активность в подрабо-
танном соляном массиве // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: матер. Четвертой Международной сейсмологической школы / ГС РАН. Листвянка - Обнинск, 2009. С. 30-34.
2. Гольдин С.В. Физика «живой» Земли // Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. С. 17-35.
3. Дружинин В.С., Мартышко П.С., Начап-кин Н.И., Осипов В.Ю. Региональный прогноз на поиски месторождений углеводородов с учётом специфики строения верхней части литосферы Уральского региона // Разведка и охрана недр. 2013. №
1. С. 33-41.
4. Инструкция о порядке производства и обработки наблюдений на сейсмических станциях Единой системы сейсмических наблюдений СССР. М.: Наука, 1981. 272 с.
5. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Особенности неравновесных процессов в открытых диссипативных средах // Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. С. 37-65.
6. Кондорская Н.В., Соловьёв С.Л. Общее состояние вопроса определения магнитуды и энергетической классификации землетрясений в практике сейсмических наблюдений // Магнитуда и классификация землетрясений: сб. статей в двух томах / Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта АН СССР. М., 1974. Т. 1. С. 13-42.
7. Красилов С.А., Коломиец М.В., Акимов А.П. Организация процесса обработки цифровых сейсмических данных с использованием программного комплекса WSG // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: матер. международной сейсмологической школы / ГС РАН. Обнинск, 2006. С. 77-83.
8. Николаев А.Н. Черты геофизики XXI века // Проблемы геофизики XXI века. М.: Наука, 2003. С. 7-16.
9. Правила разработки нефтяных и газонефтяных месторождений. Утверждены Коллегией Министерства нефтяной промышленности СССР (протокол от 15 октября 1984 г., № 44, п. IV).
Evaluation of the Effectiveness of Oil Deposit
Exploitation Based on its Response to Dynamic Impact of Seismic Waves
Druzhinin V.Sa., O.A. Kusonskiya, V.A. Silayevb
aInstitute of Geophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (IGF UB RAS). 620016, Yekaterinburg, Amundcen st., 100. Email: druvs@mail.ru, zavlab@arudaemon.gsras.ru bInstitute of development of organized enterprises of energy complex (ROSTEK), Perm, Russia. E-mail: inros95@mail.ru
We have studied the feasibility of assessment the current state of the oil field under development using the response of the oil recovery to dynamic effect of seismic body waves from distant earthquakes. Preliminary results of comparison the seismic activity and oil production showed that oil field, as a single hydrodynamic system, might respond to the impact of seismic body waves from distant earthquakes.
Key words: seismic waves, oil recovery, deposit hydrodynamic system.
References
1. Belyaevskaya M.A., Verkholantsev F.G., 2009. Udalennye zemletryaseniya kak factor vliyayushchiy na seysmicheskuyu aktivnost v podrabotannom solyanom massive [Distant earthquakes as the factors inducing seismic activity of the underworked salt rock massif]. In Sovremennye metody obrabotki i interpretatsii seysmologicheskikh dannykh. Materialy Chetvertoy Mezhdunarodnoy seysmologicheskoy shkoly, Listvyanka. Obninsk, GS RAS, pp. 30-34.
2. Goldin S.V., 2003. Fizika “zhivoy” Zemli [Physics of the “live” Earth]. In Problems of geophysics of XXI century. Moscow, Nauka, pp. 17-35.
3. Druzhinin VS., Martyshko P.S., Nachapkin
N.I., and Osipov V.Yu., 2013. Regionalniy
prognoz na poiski mestorozhdeniy
uglevodorodov s uchetom spetsifiki stroeniya verkhney chasti litosfery Uralskogo regiona [Regional forecast for hydrocarbon deposits exploration in consideration of the structural specifics of upper part of lythosphere of Urals region]. Razvedka I okhrana nedr. 1: 33-41.
4. Instruktsiya o poryadke proizvodstva I
obrabotki nablyudeniy na seysmicheskikh stantsiyakh Edinoy systemy seysmicheskikh nablyudeniy SSSR [Guide on routines of conduction and processing of observations at seismic stations of the United System of
Seismic Observation of USSR], 1981. Moscow, Nauka, p. 272.
5. Knyazeva E.N., Kurdyumov S.P., 2003.
Osobennosti neravnovesnykh protsessov v otkrytykh dissipativnykh sredakh [Particularities of nonequilibrium processes in the open dissipative medium]. In Problemy geofiziki XXI veka. Mocsow, Nauka, pp. 3765.
6. Kondorskaya N.V., Solovyev S.L., 1974.
Obshchee sostoyanie voprosa opredeleniya magnitudy i energeticheskoy klassifikatsii zemletryaseniy v praktike seysmicheskikh nablyudeniy [The general state of problem of determination of magnitude and energy earthquake classification in the practical seismic observation]. In Magnituda i klassifikatsiya zemletryaseniy. T 1. Moscow, Institut Fiziki Zemli AN SSSR, pp. 13-42.
7. Krasilov S.A., Kolomiets M.V., and Akimov
A.P., 2006. Organizatsiya protsessa obrabotki tsifrovykh seismicheskikh dannykh s ispolzovaniem programmnogo kompleksa WSG [Management of seismic digital data processing using software complex WSG]. In Sovremennye metody obrabotki I interpretatsii seysmologicheskikh dannykh. Materialy mezhdunarodnoy
seysmologicheskoy shkoly. Obninsk, GS RAN, pp. 77-83.
8. Nikolayev A.N., 2003. Cherty geofoziki XXI veka [Aspects of geophysics of XXI
century]. In Problemy geofozoki XXI veka. Moscow, Nauka, pp. 7-16.
9. Pravila razrabotki neftyanykh i gazoneftyanykh mestorozhdeniy
[Regulations on the development of oil and
gas-oil deposits]. Utverzhdeny Kollegiyey Ministerstva neftyanoy promyshlennosti SSSR (protocol ot 15 oktyabrya 1984 g. № 44, p. IV).
Рецензент - доктор геолого-минералогических наук Б.А. Спасский
