CC BY
172
СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРОВЕДЕНИИ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ НЕФТИ И ГАЗА
Анатолий Иванович Каленицкий
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры астрономии и
гравиметрии, научный руководитель СУНАЦ МПТС, тел. (383)361-01-59
Эдуард Лидиянович Ким
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, технический руководитель СУНАЦ МПТС, тел. (383)361-03-56, e-mail: [email protected]
Владимир Адольфович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, проректор по НиИД , тел. (383)343-39-57, e-mail: [email protected]
Излагается необходимость применения методики геодезическо-гравиметрического мониторинга природной и техногенной геодинамики по оперативному и достоверному выявлению геодинамических процессов на месторождениях углеводородов.
Ключевые слова: геодинамический полигон, нивелирование, гравиметрия,
мониторинг техногенной геодинамики, количественная интерпретация результатов натурных измерений.
CURRENT GEODYNAMIC INVESTIGATIONS ON OIL-AND-GAS FIELDS
Anatoly I. Kalenitsky
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., Prof., Department of Astronomy and Gravimetry, research supervisor for Siberian Educational Scientific-and-analytical Centre for Geodynamics Monitoring, phone: (383)3610159
Eduard L. Kim
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineering manager, Siberian Educational Scientific-and-analytical Centre for Geodynamics Monitoring, phone: (383)3610356, e-mail: [email protected]
Vladimir A. Seredovich
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Vice-rector for Research and Innovation, phone: (383)343-39-57, e-mail: [email protected]
The necessity of geodetic and gravimetric on-line monitoring of natural and technogenic geodynamics is considered. It is to be used for detecting geodynamic processes at hydrocarbon fields.
Key words: geodynamic testing area, leveling, gravimetry, monitoring, quantitative interpretation of in-situ measurements.
Ряд крупных населенных пунктов и городов севера Западной Сибири такие, как Сургут, Нижневартовск, Нефтеюганск, Пыть-Ях, Ноябрьск,
Муравленко, Когалым, Новый Уренгой, Вынгапуровский, Радужный и т.д. были построены на месторождениях углеводородов (УВ), разработка которых ведется более 20 лет, а на некоторых 30-40 лет.
В связи с этим становится актуальной получение оперативных и достоверных сведений о геодинамическом состоянии разрабатываемых месторождений УВ, особенно на тех, на территории которых расположены крупные населенные пункты и объекты обработки и переработки добываемого углеводородного сырья.
На созданных для этих целей геодинамических полигонах (ГДП) наблюдения за движениями земной поверхности ведутся в течение продолжительного времени традиционными геодезическими методами, направленными на выявление опасных деформационных процессов со скоростями относительных деформаций более чем 10-5 в год.
При этом, основанием для создания ГДП являются расчетные максимальные оседания земной поверхности по данным физико-механических свойств горного массива и коллектора. Выполненные расчеты величины максимального оседания земной поверхности при условии падения начального пластового давления на 3-5 МПа, характерного для месторождений Западной Сибири, приведены в таблице 1 [1].
Таблица 1
Результаты прогноза оседаний для нефтяных месторождений Западной Сибири
Месторождение Продуктивные объекты Суммарная мощность, м Макс. оседание, мм
Усть-Балыкское БС1-5, БС10 35 122
Мамонтовское АС4-6, БС8, БС10-11 33 124
Правдинское БС5-6, БС8-9 20 40
Приобское АС10-АС12 45 360
Западно-Сургутское БС1-4, БС10 25 89
Восточно-Сургутское БС10, ЮС1-1, ЮС2-2 23 45
Родниковое БС12 10 36
Чумпасское АВ1, БВ6, БВ18-22 31 124
Ватинское АВ1-2, БВ8, ЮВ1 24 82
Однако, проведение мероприятий по поддержанию пластового давления, зачастую, на порядок уменьшают вычисленные аналитически прогнозные значения просадок [2].
Более того, отмечается [2], что «большинство нефтегазовых месторождений - это антиклинальные поднятия, которые, в зависимости от тектонических условий, сформировались в виде складок продольного или поперечного изгибов. Так как эти складки залегают на значительной глубине, то основные напряжения, сформировавшие эти складки в соответствующий геологический период времени, также приложены на этой глубине. Над продуктивными горизонтами с течением времени сформировался слой ламинарного строения, в меньшей степени нагруженный тектоническими усилиями, чем усилиями веса. С глубиной силы веса возрастают, но в области
активного действия тектонических напряжений, которые в данном случае стремятся направить вышележащую толщу пород вверх, соотношение весовой и тектонической компонент напряжений выравнивается. Кроме того, следует иметь в виду, что при формировании антиклинального поднятия продуктивные пласты становятся изогнутыми. При этом верхняя часть изогнутого слоя оказывается в обстановке субгоризонтального растяжения, а нижняя - в обстановке сжатия. Тогда продуктивные пласты, находящиеся в верхней части, будут стремиться укорачиваться в вертикальном направлении, а находящиеся в нижней части - будут удлиняться. Естественно, что продуктивные пласты, залегающие в верхней части (по отношению к нейтральной оси изгиба), будут способствовать увеличению просадки земной поверхности, обусловленной снижением пластового давления, а горизонты, залегающие в нижней части, будут уменьшать общее оседание. Более того, при одновременной эксплуатации нескольких горизонтов, расположенных на различных глубинах (особенно ниже нейтральной оси), возможна ситуация, когда просадки либо вообще не возникнут (характерно для большинства месторождений), либо будет наблюдаться поднятие земной поверхности».
На месторождениях Западной Сибири инструментально выявленные величины просадок территорий с применением традиционных методов наблюдений не превышают, в основном, нескольких сантиметров и не представляют никакого практического интереса с точки зрения оценки влияния геодинамических процессов на безопасность разработки месторождения и планирование ее обустройства, а также разработки рекомендаций по мониторингу деформационных процессов.
При этом, для выявления этих просадок на месторождения выполняются многократные повторные координирование и нивелирование по пунктам ГДП, на производство которых уходит значительное время, не говоря уже о больших финансовых затратах, с привязкой их к «стабильным» пунктам. Практика работ показывает, что в условиях интенсивных разработок недр, сложной физикогеографической обстановки абсолютной гарантии стабильности пунктов (реперов) нет, особенно в сложных условиях севера Западной и Восточной Сибири (см. рис. 1).
а) б) в) г)
Рис. 1. Вид центров пунктов триангуляции и грунтовых реперов в районе Песцового ЛУ: а) - п.т.Енъяха, б) - п.т. Юрьяха, в) - гр. рп. 8029, г) - гр.рп. 559
Появление новых геодезических средств повлекло за собой лишь уточнение методики измерений, не меняя при этом общего подхода к решению проблемы в целом, а именно: как и прежде для оценки геодинамического состояния изучаемой площади создается одноярусная плановая сеть, между «стабильными» пунктами которой выполняется нивелирование I и/или II класса по взаимно перпендикулярным профильным линиям. При этом, линии нивелирования, как правило, не замыкаются в полигоны. Для выявления признаков техногенной геодинамики выполняются не менее трех циклов наблюдений с промежутками между циклами 1-2 года. Эти факторы в целом отрицательно сказываются на достоверности и оперативности результатов геодинамических исследований.
Решению задачи по оперативному и достоверному выявлению геодинамических процессов способствует комплексирование геодезических методов с гравиметрическим методом, являющимся из самым малолозатратным геофизических методов, быстрым и эффективным, используемым как при поисках и разведке антиклинальных и рифогенных структур и оценке перспектив их нефтеносности и газоносности [3, 4, 5, 6, 7, 8], так и при изучении зон дизьюнктивных нарушений, определении формы и положения соляных куполов, выявлении рудных месторождений [9, 10, 11]. При этом необходимо отметить, что в геосинклинальных областях, особенно, перекрытых рыхлыми отложениями, гравиметрия является одним из основных методов, применяемых при выявлении и картировании тектонических нарушений. Об этих возможностях гравиметрии наглядно иллюстрируют выявленные тектонические элементы на Южно-Иусском лицензионном участке по данным гравиразведки [12] (рис. 2).
Применительно к специфике условий исследований на месторождениях нефти и газа к возможностям гравиметрии, в частности, можно отнести:
- выявление, картирование и уточнение (совместно с сейсморазведкой) положения разломов в фундаменте и дизъюнктивных нарушений в осадочном чехле (рис. 2, 4);
- определение направления смещений блоков горных пород в фундаменте и осадочной продуктивной толще (рис. 2);
- уточнение контура границ залежей нефти и газа (рис. 3);
- определение (уже после первого цикла натурных измерений) участков повышенной промышленной опасности (рис. 4);
- картирование местоположения флюидоподводящего канала жерловой фации в фундаменте (рис. 5);
- корректирование положения расчетных интерпретационных профилей в пределах площади геодезическо-гравиметрического мониторинга в последующих циклах;
- определение интервалов продолжительности и частоты повторения геодезическо-гравиметрических натурных измерений с целью выявления короткопериодных, в том числе сезонных, вертикальных смещений земной поверхности по расчетным профилям;
- выработка рекомендаций по объему, детальности и частоте натурных измерений в последующих циклах геодезическо-гравиметрического
мониторинга техногенной геодинамики и предложений по снижению последствий ее воздействия на устойчивость промышленного и гражданского комплекса, природной среды;
- определение объема перемещения масс в осадочном чехле и, как следствие, оценка его воздействия на устойчивость земной поверхности по данным высокоточного нивелирования и гравиметрии.
Рис. 2. Схема тектонических элементов по данным гравиметрии на Южно-Иусском лицензионном участке (по Каленицкому А.И., 1991 г.)
Рис. 3. Схема прогноза нефтегазоносности по данным гравиразведки на Южно-Иусском лицензионном участке (по Каленицкому А.И., 1991 г.)
Рис. 4. Выделение участков повышенной промышленной и геодинамической опасности по результатам комплексной интерпретации геодезическо-гравиметрических данных первого цикла на Спорышевском Г ДП
а) б)
Рис. 5. Схема изоаномал регионального фона в редукции Буге (о0 = 2.00 г/см ) (уровень отсчета-условный): а) Спорышевское месторождение;
б) Вынгапуровское месторождение
Приведем, в связи с вышеизложенным, некоторые результаты количественной интерпретации изменения отметок высот реперов нивелирования и значений аномального поля силы тяжести на них, выявленных в двух циклах натурных геодезическо-гравиметрических измерений по расчетному профилю на Вынгапуровском ГДП (рис. 6).
» с
>М А
Рис. 6. Графики локального поля силы тяжести (А), рельефа местности (Б), разности значений высот пунктов между 1 и 2 циклами (В) и аномального гравитационного поля (Г), фрагмент плана северной части профиля
Профиль общей длиной 32 км проложен с юга на север. На рис. 6 приведена его средняя и северная части, представляющие наибольший интерес. Отметки высот рельефа местности на всем протяжении профиля изменяются в интервале 110-132 метра (Б).
Профиль пересекает зону продуктивных горизонтов с залежами углеводородного сырья, отражаемую отрицательными (порядок -0,10 мГал) значениями локального поля силы тяжести (А). В северной части профиля выделяется положительная локальная аномалия (до +0,13 мГал), отражающая гравитационный эффект блока горных пород повышенной плотности, находящегося вне зоны продуктивных горизонтов. Следует заметить, что по результатам площадной гравиметрии в первом цикле измерений была выделена серия дизъюнктивных нарушений северо-восточного и северо-западного простирания с пересечением предположительно в районе участка, расположенного западнее пунктов Д035 и Д036 рассматриваемого расчетного
профиля на расстоянии 0,7-0,9 км от него. Эти нарушения, расходясь веерообразно, пересекают расчетный профиль в средней части, представленного на рисунке 6 его фрагмента, в том числе вблизи реперов 11ВД95, Д135, 11ВД105 и 11ВД106 (х=: 4,25-4,52 км, 12,25 км, 15,81 км).
Разность аномального гравитационного поля по результатам первого (I) и второго (II) циклов по расчетному профилю (Г) отражает существенное перемещение масс в геологическом разрезе в его крайней северной части в район вышеуказанного участка дизъюнктивных нарушений, создавая сугубо узколокальный максимум величиной +0,23 мГал в пункте11ВЛ14 (х=10,2 км.). Дефицит извлеченных масс создает в северной части профиля отрицательный эффект с минимальным значением, равным -0,18 мГал на пунктеД043 (х=19,4 км).
Предполагаемое перемещение масс в геологическом разрезе, по-видимому, нашло отражение и в своеобразных вертикальных смещениях земной поверхности, зафиксированных в отличии результатов нивелирования 11-го цикла от таковых в 1-ом цикле (В). В частности, это отражается знакопеременным (до ±10мм) смещением пунктов в интервале от пункта Д036 (х=12,5 км) к северу до пункта Д041(х=17,7 км). Вместе с тем наблюдается всё возрастающее к югу воздымание поверхности рельефа местности до пункта Л124 (х=6,1 км), где его величина составила 157 мм (0,157 м), а затем резко снижающееся до -12 мм. в пункте Д135 (х=4,6 км.) в месте предполагаемого дизъюнктивного нарушения.
Полученные результаты потребовали проведения количественной оценки перемещаемых масс и интерпретации механизма вертикальных смещений земной поверхности.
Было очевидно, что они в значительной степени связаны с извлечением воды в северной части профиля, с целью нагнетания ее в продуктивные горизонты для замещения извлекаемых запасов углеводородного сырья. Исходя
3 3
из этого и с учетом значений плотности воды (ов =1,0 г/см =1,0 т/м ) и
3 3
осадочной толщи (о = 2,0 г/см = 2,0 т/м ), была выполнена оценка объема извлеченных масс воды и степень его распределения в разрезе продуктивных образований.
В связи с этим рассмотрим кратко результаты решения обратной и прямой задач гравиметрии с целью интерпретации изменения гравитационного поля вертикальных смещений поверхности.
В первом приближении аномальные массы извлеченной воды были представлены объемом шара. Это позволило однозначно определить массу Мш и предельную глубину залегания Нш. Расчеты показали, что Нш = 2,186 км., Мш = 12845000 т., а радиус шара равняется величине Яш = 0,313 км.
Вместе с тем, очевидно, что резервуар, из которого производился забор водных масс для замещения пространства, откуда извлекалось углеводородное сырье, имеет малое сходство с шаровой емкостью. Скорее всего, это -водоносный пласт субгоризонтального простирания. Это означает, что глубина его залегания будет меньше, чем предельная, определенная для шаровой
емкости,
а горизонтальные размеры - шире.
Вычисленные параметры такого пласта выполнены, исходя из следующих соображений:
- в плане пласт соответствует горизонтальному диску, площадь поверхности диска соответствует 11,22 км2 ,
- масса пласта соответствует массе шара Мш,
- мощность пласта АН = 0,0114 км= 11,4 м,
- глубина верней границы пласта - Н1=1,4143 км,
В результате выполнения аналогичных расчетов для положительной аномалии силы тяжести в средней части представленного профиля получено: Нш=0,57 км, Мш = 11,2*106 т, что соответствует объему Уш= 11,2*106 м3. Это составляет 8,7% от всего объема извлеченной водной массы на севере профиля. По-видимому, не менее 90% водной массы было закачено в продуктивные пласты взамен извлеченного углеводородного сырья.
Вместе с тем небольшие горизонтальные размеры аномалии свидетельствуют о том, что массы, создающие ее, имеют относительно небольшую протяженность в направлении по профилю и значительно большую
- вкрест него. В таком случае приходится говорить об аномальной зоне, представляющей субвертикальную пластину, в пределах которой водные массы мигрировали, по-видимому, снизу вверх по дизъюнктивному нарушению из-за несогласного залегания продуктивных пластов, перекрытых водонепроницаемым покрытием (предположительно глинистым). При этом основная масса воды заполнила объем самого нарушения, а остальная его часть нашла выход в приповерхностные отложения как с северной так и, особенно, с южной стороны, способствуя разбуханию объема и поднятию их верхней поверхности. Это и отразили результаты нивелирования во 11-ом цикле натурных измерений. По разностной кривой изменения высот земной поверхности видно, что с южного и северного краев поднятия отмечаются небольшие просадки рельефа местности, которым по плановому положению также соответствуют зоны дизъюнктивных нарушений в осадочном чехле.
Вычисленные параметры обводненной зоны (предположительно дизъюнктивной), представленной в виде субвертикальной (слегка отклоняющийся внизу к северу) полуплоскости значительного простирания вкрест расчетного профиля, характеризуются следующими значениями: ширина зоны около 20 метров, простирание по глубине - от 80 метров до 2 420 метров.
Полученные результаты показывают высокую степень необходимости комплексной оценки особенностей проявления техногенной геодинамики на участках интенсивной добычи не только углеводородного сырья, но и других ископаемых, а также при строительстве и эксплуатации крупных инженерных сооружений на основе разумного рационального применения натурных высокоточных геодезическо-гравиметрических измерений и
незаформализованных методов качественной и количественной интерпретации их результатов. При этом особо следует учитывать, что гравиметрия должна
применяться как опережающий метод, позволяющий на предварительном этапе уточнить геолого-тектоническую обстановку в районе исследований, выделить (с использованием данных других методов зондирования и морфометрического анализа) зоны повышенного промышленного риска [15-19].
Выполненная комплексная количественная интерпретация по результатам геодезических и гравиметрических измерений показала свою эффективность как по срокам выявления техногенной геодинамики, так и по качеству выполненного анализа.
Становится очевидным, что проектирование геодинамических полигонов на основе применения современного геодезическо-гравиметрического комплекса, требует иного подхода, отличающегося от традиционного применяемого как в плане построения геодезических и гравиметрической сетей, так и в комплексной обработке и интерпретации результатов геодезических и гравиметрических натурных измерений, оценки по ним степени геодинамической опасности изучаемой территории.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. С.Г. Ашихмин. Научные основы методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород / Автореферат дисс. на соиск. уч. степени д.т.н. - ПГТУ, 2008 г. - 315 с.
2. Ю.О. Кузьмин. Тектонофизические основы идентификации геодинамической опасности нефтегазовых объектов // Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН oilgasj ournal. ru/vol_3/kuzmin.pdf
3. Блох Ю.И. Количественная интерпретация гравитационных и магнитных аномалий / Ю.И.Блох. М.: МГГА, 1998. - 88 с.
4. Маловичко А.К. Гравиразведка / А.К.Маловичко, В.И.Костицын // М.: Недра, 1992. -
357 с.
5. Морошкин А.Н. Сравнительный анализ эффективности сейсморазведки и структурного бурения / А.Н.Морошкин, С.Г.Бычков // Нефть и газ: Вестник ПГТУ, вып. 2. Перм. политех, ин-т Пермь, 1999. - С.42-47.
6. Плотникова И.Н. Геолого-геофизические и геохимические предпосылки перспектив нефтегазоносности кристаллического фундамента Татарстана / И.Н.Плотникова. СПб.: Недра, 2004. - 172с.
7. А.А.Пыстин // Геофизика, 1999, №5. С.54-58.
8. Kinematic GPS Positioning of Geophysical Surveys: Gravity Survey of Ft. Berthold Indian Reservation, North Dakota / M.Balde, C.L.K.Aiken, J.Hare, W.D.Gosnold, S.Cates // SEG Expanded Abstracts, 1992. P. 585-588.
9. В.А.Абрамов // Геофизические исследования в Якутии. Якутск: Якутск. ун-т., 1990.1. C. 42-48.
10. Абрамов В.А. Эффективность гравиметрической съемки в выявлении золоторудных месторождений куранахского типа / В.А. Абрамов // Якутск-Иркутск: ВСНИИГГИМС, ЯТГУ, 1975. 81 с.
11. А.И. Каленицкий, В.И. Кузьмин Оценка плотности блоков верхней части земной коры по гравитационным аномалиям// Геология и геофизика. - 1991. - № 10. - С. 130-134.
12. фондовая А.И. Каленицкий, Р.Э. Меникес, В.П. Дедов, А.Е. Блюм, А.П. Федянин Отчет о гравиразведочных работах на Южно-Иусском участке с целью прогноза перспективности структур , подготовленных сейсморазведкой(отчет по договорной теме 08.04.2080д) Фонды СибАГП ГУГК.
13. Андреев, Б.А. Геологическое истолкование гравитационных аномалий /Б.А. Андреев, И.Г. Клушин.-Л.: Недра, Ленингр.отд., 1965. - 495 с.
14. Гладкий, К.В. Гравиразведка и магниторазведка / К.В. Гладкий. - М.: Недра. - 1967. -
317 с.
15. А.И. Каленицкий, Э.Л. Ким. Методика и результаты определения разницы геодезических и нормальных высот на территории Спорышевского и Западно -Суторминского геодинамических полигонов // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 1, ч. 2: сб. матер. ГУМеждунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», 22-24 апреля 2008 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2008. -С. 27-30.
16. Результаты применения гравиметрии и высокоточного нивелирования при локализации участков повышенного геодинамического риска на месторождениях углеводородов / А.И. Каленицкий, Э.Л. Ким, М.Д. Козориз, В.А. Середович // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии). - Новосибирск: СГГА, 2010. - Вып. 1(12). - С. 14-20.
17. А.И. Каленицкий, Э.Л. Ким Результаты первого цикла натурных геодезическо-гравиметрических измерений на Вынгапуровском геодинамическом полигоне // Геодезия и картография. - 2011. - № 8. - С. 30-35.
18. Результаты комплексных геодезическо-гравиметрических наблюдений на геодинамическом полигоне Спорышевского месторождения УВ / А.И. Каленицкий, Э.Л. Ким,
B.А. Середович, М.Д. Козориз // ГЕ0-Сибирь-2011, Пленарное заседание: сб. матер. УГГМеждунар. научн. конгресса «ГЕ0-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 62-71.
19. А.И. Каленицкий, Э.Л. Ким О комплексной интерпретации данных геодезическо-гравиметрического мониторинга техногенной геодинамики на месторождениях нефти и газа // Вестник СГГА[Текст] : науч.-технич. журн. - Вып. 4 (20). - Новосибирск: СГГА, 2012. -
C. 3-13
© А.И. Каленицкий, Э.Л. Ким, В.А. Середович, 2013
