Цифровые инженерно-геологические картографические модели планирования подземных хранилищ газа

Актуальность работы. Одной из ведущих закономерностей развития цивилизации является смспа технологических укладов, каждому из которых соответствует свой доминирующий энергорссурс. В XIX—XX вв. такими ресурсами были уголь, позднее — нефть и, наконец, с последней четверти XX в — природный газ. В XXI в. доля природного газа в энергобалансе существенно возрастаетон используется не только как источник первичной энергии, но также служич' исходным сырьём для целого ряда производств и при этом дает несравнимо более низкий уровень вредных выбросов. Замена газом других видов топлива трактуется многими исследователями как безальтернативный способ минимизации негативных последствий парникового эффекта.

Интенсификация мирового потребления природного газа дала толчок применению инноваций по всей технологической цепочке от месторождения до потребителя, поскольку важно не только добыть и доставить это ценное сырьё, по также обеспечить его хранение с соблюдением экологических императивов. Особенно проблематичным до настоящего времени являлось последнее звено — бесперебойное и безопасное обеспечение потребителя необходимыми объемами природного газа. Совершенно очевидно, что хранилища должны находиться вблизи объектов, использующих природный газ. Это, как правило, урбанизированные территории с высоким уровнем концентрации объектов экономики и большой плотностью населения. Отсюда вытекает проблема безопасного храпения больших объёмов углеводородного сырья, поскольку резервуары на поверхности не могут обеспечить даже минимально необходимые объёмы хранения и сами являются объектами повышенной техноприродпой опасности. Анализ современных тенденций использования природного газа показывает, что подземный способ хранения является безальтернативным. Следовательно, для развития сети газохранилищ необходим поиск соответствующих структур в массивах горных пород, разработка ме тодик оптимальной экономически эффективной и экологически безопасной эксплуатации подземных хранилищ газа. Современные темпы развития урбанизации обуславливают увеличение потребности населения в природном газе. Возникает проблема поиска новых объектов для его резервного хранения. Она решается посредством наращивания мощностей в существующих IIXF и выявления новых участков, перспективных для создания подземных газохранилищ.

Вопросы комплексного геоэкологического обоснования размещения и безопасного функционирования ПХГ до последнего времени были слабо разработаны. Под геоэкологическим обоснованием понимается комплексное обоснование, учитывающее взаимодействие природных и техногенных факторов и их влияние на безопасность среды обитания. Традиционно счи талось, что замена в коллекторах водного субстрата на газовый не влияет на изменение природных условий и качество среды обитания. Не учитывалась возможность резких быстрых изменений устойчивости природной среды в подземном пространстве на региональном и локальном уровнях. Негативные эффекты антропогенных нагрузок не следует рассматривать в качестве неизбежного следствия развития общества — как правило, нарушения устойчивости массивов горных пород и снижение качественных показателей природной среды связаны с недостаточностью информации о свойствах компонентов геологической срсды, их изменениях во времени и пространстве, слабой проработкой возможных эффектов техногенного воздействия (прямых и косвенных, быстрых и на отдалённую перспективу), недостаточным технологическим уровнем и, наконец, техническими ошибками. Необходимость разработки геоэкологических основ обоснования выбора участков, благоприятных для создания и функционирования ПХГ в зонах мегаполисов па основе данных мониторинга и цифрового инженерно-геологического моделирования составляет актуальность данной диссертационной работы. Под инженерно-геологическим моделированием понимается цифровое ипжсперно-гсологическое картографирование как блок мониторинга.

Цель работы — построение цифровых карпмрафических инженерно-геологических моделей ПХГ на основании установленных основных закономерностей инженерно-геологических, газо-гидродинамических и геоэкологических условий вмещающих техноприродных массивов.

Для достижения поставленной цели последовательно ставились и решались следующие основные задачи:

• анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта поиска мест размещения и специфики эксплуатации подземных хранилищ газа;

• целевое изучение геоморфологических, геоструктурных, стратиграфических, гидрогеологических и инженерно-г еологических условий Московской синеклизы;

• выявление комплекса природных факторов и условий, влияющих на выбор участка размещения Щёлковского газохранилища, оценка их влияния на уровень техноприродной опасности;

• выявление характера и направленности изменения инженерно-геологических условий при разных режимах эксплуатации газохранилища;

• оценка ошимальпых объёмов хранилищ газа в пределах южного борга Московской синеклизы на базе совершенствования методик интерпретации и анализа геофизических и гидрогсохимическнх исследований в пределах Щёлковского ПХГ;

• цифровое инженерно-геологнчсское моделирование;

• анализ изменения во времени термобарической, гидрогеохимической и инженерно-геологической обстаиовок при эксплуатации Щёлковского ПХГ, выявление оптимальных инженерно-геологических, газо — гидродинамических и экологических условий создания и работы других газохранилищ в сходных природных условиях;

• разработка и организация системы комплексного мониторинга для обоснования эффективной и экологачески безопасной эксплуатации 11ХГ.

Предметом исследований является комплексный анализ и оценка техноприродных условий безопасного хранения газа в пластах-коллекторах водоносных горизонтов на примере Щёлковского ПХГ.

Объектом исследований являются массивы горных пород и техногенные элементы подземных хранилищ газа в пределах южного борта Московской синеклизы.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положен фактический материал, полученный автором в результате многолетней работы по созданию цифровых картографических моделей подземных газохранилищ в пределах южного борта Московской сипеклизы (Щёлковского, Увязовского, Калужского, Касимовского и др.). Основные положения работы и её выводы базируются на результатах работ по организации ПХГ, режимных мониторинговых наблюдений состояния объекта исследований и численного карто1рафического моделирования процесса его эксплуатации.

Автором в процессе создания трёхмерной инженерно-геологической и газогидродинамической цифровой модели Щелковского ПХГ использованы исходные данные:

• геологические, геофизические, инженерно-технические данные обоснований проектов создания газохранилищ в Европейской части России (ГП «Подмосковная ЭГБ» и ООО «Мосгазгеофизика»);

• данные электрои радиоактивного каротажа, кавернометрии эксплуатационных скважин и результаты геофизического контроля работ;

• инженерно — технические отчёты, технологические схемы эксплуатации ПХГрезультаты гидрогеохимического опробования вод контрольных водоносных горизонтов и комплексов, включая выбранный для хранения газа (состав и количество растворённого, реже, свободного газа, состав и свойства подземных вод: плотность, рН, удельная газонасыщенпость вод);

• данные подпочвенной поверхностной газовой съёмки территорий. Основные защищаемые полоэ/сения.

1. Комплексное инженерно-геологическое обоснование выбора массивов горных пород, перспективных для организации ПХГ на базе данных мониторинга техноприродных систем, с использованием метода геологических аналогий.

2. Трёхмерное картофафичсское моделирование ПХГ, отражающее реальное объёмное распределение газа — наиболее эффективный метод оценки структурной пригодности пористых срсд для подземного газохрапепия, фильтрационно-смкосгных свойств пласта-коллектора и перекрывающих толщ, главный элемент контроля и управления безопасной эксплуатацией подземных хранилищ газа.

3. Безопасная эксплуатация ПХГ определяется сложным взаимозависимым комплексом техпоприродных факторов и условий. Технологический режим функционирования ПХГ определяют детальные оценки специфики состояния массивов горных пород, включая их состав и структурно-текстурные характеристики с заданными петрофизическими параметрами и фильграционно-емкостными свойствами.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

• впервые разработаны научно-методические подходы инжсперпо-гсологической картографической оценки объектов газового комплекса и прилегающих территорий;

• впервые проведено комплексное обоснование трёхмерной карто1рафической цифровой модели размещения подземных хранилищ газа в замкнутых обводнённых толщах;

• разработана методология обеспечения геоэкологической безопасности при обустройстве и эксплуатации подземных хранилищ газа на основе данных комплексного мониторинга техпоприродных систем;

• установлены общие закономерности трансформации инженерно-геологических и экологических условий при формировании искусственных газовых залежей в водоносных комплексах южного борта Московской синеклизы, пространственно-временные закономерности изменения петрофизических и фильтрациоино-емкостньтх показателей в процессе эксплуатации ПХГ.

Практическая значимость работы. Построенная автором цифровая постоянно-действующая картографическая инженерно-геологическая и газо-гидродинамическая модель Щёлковского ПХГ обеспечивает: учёт буферного объёма газаоптимизацию пространственного распределения газа в ловушке по площади и в разрезевыявление и локализацию путей фильтрации газа за пределы структуры, в т. ч. в проницаемые прослои в пижпен части перекрывающих ее породоперативный контроль текущего активного объёма газа в пласте — коллекторе и пр. Мониторинг свойств коллектора позволил определить степень завершенности становления газохранилища (полное наличие буферного объема), оптимальные объёмы закачки и отбора газа. На основании данных мониторинга Щелковского ПХГ обоснованы инженерно-геологические и газо-гидродинамические модели для ПХГ в сходных техпоприродных условиях. Выявленные и обоснованные автором комплексные критерии выбора перспективных участков размещения подземных газохранилищ позволяют обеспечивать соответствующий уровень безопасности для среды жизнеобигания. Материалы диссертации с 2000 г. используются в практической деятельности по управлению Щёлковским Г1ХГ.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 7-й Международной конференции МГУ «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа», 2-й Международной конференции МГУ «Геодинамика нефтегазоносных бассейнов», XVII Губкинских чтениях РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина «Нефтегазовая геологическая наука XXI век», Международной научно-практической конференции «Геориск-2009», 3-й Общероссийской Конференции изыскательских организаций «Перспективы развития нижеперных изысканий в строительстве в Российской Федерации», Научно-практической конференции молодых специалистов ОАО ППИИИС «Инженерные изыскания в строительстве». Публикации. Основные положения и выводы работы изложены в семи публикациях в сборниках трудов научных конференций, а также опубликованы в статьях реферируемых журналов, рекомендованных ВАК.

1. Дроздова С. Б. Геодииамическое моделирование как метод качественной оценки технологической эффективности эксплуатации подземных хранилищ газа в терригенпых коллекторах.// Тезисы второй международной конференции «Геодинамика нефтегазоносных бассейнов», т. 2. М. 2004, с.125−127.

2. Дроздова С. Б. Разработка критерия прогноза условий, благоприятных для создания подземных газохранилищ в терригенных коллекторах Европейской России.// Материалы седьмой Международной конференции. Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. М: ГЕОС. 2004, с. 168−170.

3. Дроздова С. Б. Экологические проблемы проектирования и эксплуатации подземных хранилищ газа южного борта Московской спнеклизы. // Тезисы докладов. XVII Губкинские чтения. Нефтегазовая геологическая наука XXI век. М. 2004, с. 78−79.

4. Дроздова С. Б. Геологические предпосылки создания подземных хранилищ газа в водоносных горизонтах Европейской части России. // Вестник Московского Университета. Сер.4. Геология. № 6, 2005, с. 63−67.

5. Дроздова С. Б. Исследования инженерно — геологических моделей для оценки эффективности подземных хранилищ газа (на примере Щёлковского подземного хранилища газа). // Материалы Третьей Общероссийской Конференции изыскательских организаций ОАО ПНИИИС. Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации, — М.: ОАО ПНИИИС, 2008, с 65−68.

6. Дроздова С. Б., Молодых Ив.И. Особенности геоэкологического мониторинга подземных хранилищ газа. // Инженерные изыскания. Октябрь, 2008, с. 40−42.

7. Дроздова С. Б., Молодых Ив.И. Система цифровых моделей Щёлковского подземного хранилища газа как основа минимизации техноприродных рисков. // Материалы Международной научно-практической конференции. Геориск-2009. М: Российский университет дружбы народов. 2009, с. 241−246.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения, изложенных на 157 страницах текста, включая 11 таблиц, 34 рис., 3 приложений, библиографического списка литературы из 136 наименований.

Основные результаты проведённых исследований сводятся к следующим заключениям.

В размещении ПХГ на территории Московской синеклизы можно выдели ть следующие факторы и условия геологической среды: геолого-страгшрафические, тектонические и гидрогеологические. Они обуславливают специфическую геологическую морфоструктуру с определённым набором пород различных литологическиХ' формаций осадочного чехла Московской синеклизы, их структурно-текстурные особенности и гидрогеологические условия, складчатые и разрывные структуры. Для размещения подземных хранилищ газа перспективны морфоструктуры, испытавшие активные движения на неотектоническом этапе развития синеклизы, когда происходило формирование складчатости, локальных отрицательных и положительных структур, массивы горных пород были подвержены дислокациям, метаморфизму, воздействию активных разрывных нарушений. В результате были сформированы специфические замкнутые морфоструктуры — «ловушки», строение которых и предопределило возможность их использования для ПХГ. Помимо этого, гидрогеологические условия (гидродинамические свойства, химический состав вод, термобарические условия) водоносного горизонта, вмещающего объект храпения газа, обуславливают закономерности формирования искусственных газовых залежей.

Гидрогеологические условия пород ипженерпо-геологических формаций, обладающих коллекторскими свойствами для газа, предопределяют возможность миграции газа внутри природных резервуаров, своевременное выявление путей фильтрации за пределы ПХГ и создание переходной зоны «газ-вода». Гидрогеодипамика водоносного разреза отражает газогидрогеодннамику в установившемся режиме (между закачкой и отбором). Установлена и эмпирически подтверждена закономерность: с увеличением минерализации и уменьшением температуры воды в водоносных горизонтах поземных вод уменьшается растворимость газа в воде, следовательно, сокращается мощность переходной зоны «газ-вода» и наоборот. Таким образом, сокращается полезный объем свободного газа в хранилище. Этотаспект имеет важное значение, но к настоящему времени освещен слабо и требует дополнительного изучения.

В течение всего срока существования ПХГ осуществляется техногенное воздействие на окружающую среду. Это воздействие носит, как правило, негативный характер с частой необратимостью процессов изменения гидросферы, литосферы и биосферы. Поэтому требусгся четкая организация исследовательских и восстановительных программ па протяжении и после эксплуатации ПХГ. Ныла разработана специальная система геоэкологического мониторинга, применительно к ПХГ. Она включает комплекс наблюдений, состоящий из гсофизичсских исследований скважин, гидрогеохимического опробования и поверхностной подпочвенной газовой съёмки, с последующим обобщением, систематизацией и обработкой полученной информации посредством моделирования. Заключительным этапом геоэкологического мониторинга являются выводы, заключения, прогнозы, разработка и обоснование соответствующих управленческих решений по технологии эксплуатации ПХГ.

Унифицированная методика мониторинга ПХГ позволяет обеспечить долгосрочное планирование экономически эффективной н экологически безопасной эксплуатации подземных газохранилищ, созданных в водоносных горизонтах Московской синеклизы. Необходимо ведение геоэкологического мониторинга и на стадии ликвидации ПХГ. Это позволит осуществлять наблюдение за процессом восстановления фоновых показателей атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы природно — техногенной среды. А также вести контроль за регенерацией объектов флоры и фауны, возможной мтрацией газа из техногенных залежей в пресные водоносные горизонты, горные выработки, атмосферу с причинением экологического вреда.

Основным этапом геоэкологического мониторинга и наиболее эффективным методом оценки структурной пригодности резервуара для подземного хранения газа является трёхмерное моделирование подземных хранилищ газа. Результатом моделирования является трёхмерная адресная постоянподепствующая геолого — технологическая модель ПХГ, представляющая собой структурную или каркасную модель и флюндешьпую (гидродинамическую и геотехническую) — динамичную, флюидоиасыщснную, циклично изменяющуюся в процессе г одового периода эксплуатации. Автором была построена система цифровых моделей Щёлковского ПХГ. На основании анализа эт их моделей, был сделай ряд выводов.

Щёлковское ПХГ расположено в брахиантиклинальной куполовидной малоамплитудной складке, ориентированной в ссвсро — западном направлении.

Для подземного хранения газа используется верхняя часть средней пачки щигровских отложений, входящая в состав мощной 200-метровой терригепиой толщи верхнего отдела девонской системы. Из-за отсутствия в разрезе этой толщи выдержанных региональных водоупоров она представляет собой единую водонапорную систему, обладающую огромными упругими водными запасами. Глубина залегания кровли верхней песчаной пачки на Щелковском хранилище газа в сводовой части поднятия составляет 880−890 м, а па его погружениях 900−930м. Эта пачка характеризуется значительной фацнальной неоднородностью по площади и по разрезу. Она представлена незакономерным переслаиванием слабо сцементированных песчаников, алевролитов, в различной степени глинистых, и их переходных разностей.

Экранирующими породами являются глинистые толщи того же возраста, что и пласт — коллектор, расположенными гипсометрически выше и перекрывающими его. Герметичность экранирующего перекрытия неоднократно доказана в процессе контроля эксплуатации ПХГ. Нижняя часть перекрывающих пород осложнена маломощными липзовидными песчаными прослоями, не обладающими коллекторскими свойствами и на период создания газохранилища не способными пропускать газ. Но в процессе эксплуатации необходим контроль газонасыщенности этих прослоев, т. к. систематическое знакопеременное динамическое воздействие на пласт — коллектор и нижнюю часть перекрывающих пород может способствовать увеличению открытой пористости и проявлению коллекторских свойств этих прослоев.

Состояние энергетических показателей пласта — коллектора (пластовой температуры и пластового давления), эксплуатационных характеристик (эффективной мощности, поверхности газо — водяного контакта), расчетных значений (линейных запасов, флюидоподвижностн) позволяют эксплуатировать Щёлковское ПХГ по индивидуальной, экологически безопасной схеме, согласно заявленным объёмам газа.

Здоровая гидрогеохимическая обстановка подземных вод, расположенных над искусственной залежыо также свидетельствует о работе Щёлковского газохранилища в согласии с окружающей средой.

Базируясь на положительном опыте функционирования Щёлковского ПХГ с незначительным негативным воздействием на окружающую среду, по методу геологических аналогий можно вссти поиск новых участков, благоприятных для создания в них ПХГ. Сложные тектопико-страти графические условия Московской синеклизы определяют инженерно-геологическую методику поиска структур, перспективных для создания Г1ХГ. Она заключается в исследовании каждой структуры, подходящей по изложенному выше набору факторов: пород инженерно-геологических формаций, гидрогеологических и тектонических условий.

Следующим этапом осуществления концепции «Цифровая динамичная модель залежн» является ее совершенствование: наполнение модели, построенной автором техническими и эксплуатационными показателями с целыо долгосрочного планирования работы ПХГ. Результатом этого этапа моделирования должна стать цифровая трёхмерная гсолого-технологичсская модель. По итогам функционирования этой модели необходимо разработать рекомендации по безопасной эффективной эксплуатации Г1ХГ. Геоннформациоппыс методы являются неотъемлемым звеном в цепи исследований при проектировании, разработке, контроле и ликвидации ПХГ.

В качестве ведущих направлений последующих действий в плане реализации положений диссертации требуется организация систем мониторинга после ликвидации ПХГ, учитывая необратимость воздействия на окружающую среду за счёт оставляемого буферного объёма и других аспектов, рассмотренных в разделе 1.7.

Планируемое увеличение объемов закачки на Щёлковском ПХГ, т. е. импульсное возрастание пластового давления будет способствовать возможности перетекания газа в локальное куполовидное поднятие в районе, осложняющее объект хранения с востока. Для подтверждения этого факта требуется дополнительное изучение миграционных и сорбциоппых процессов фильтрации флюидов при разных динамических воздействиях на пласт. В настоящее время оценка объёма газа в хранилище возможна лишь с учётом коэффициента газонасыщенности 0,25. Техническое усовершенствование приборов для оценки газонасыщенности в пласте — коллекторе с возможностью фиксации этого показателя ниже 0,25 позволит оценить объём и степень завершённости формирования буферной составляющей газохранилища. Также с этой же целыо следует произвести расчет «фазовой» проницаемости и флюидоподвижности пород для каждого флюида, поскольку в искусственной газовой «залежи» порядка 15−20% пустотного пространства занято водой, сужающей эффективное для газа сечение коллектора. Это, в свою очередь, позволит узнать общий объем газа в ПХГ.

В настоящее время в Европейской России на разной стадии создания находится ряд новых подземных хранилищ газа с терригенными коллекторами. В Пензенской области проводится структурное бурение с целыо подтверждения искусственных ловушек, перспективных для создания в них Городшшшенекого и Скалинского ПХГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.