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, 1998 г., 1999 г.), на Четвертой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1999 г.), на Международной конференции молодых ученых и специалистов «ГЕОФИЗИКА 99» (Санкт-Петербург, 1999 г.).

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.

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 1998 г, 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., 1999 г, 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, 1999 г. СанктПетербург, 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.

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.

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 кб) 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.).

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 растворомб) 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.

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.

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.

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.