ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА
1 Ибрагимов Р. Л. ТГРУ ОАО «Татнефть», Казань, ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА Подземные хранилища газа (ПХГ) сооружаются двух типов: в пористых породах и в полостях горных пород. К первому типу относятся хранилища в истощённых нефтяных и газовых месторождениях, а также в водоносных пластах. В них природный газ обычно хранится в газообразном состоянии. Ко второму типу относятся хранилища, созданные в заброшенных шахтах, старых туннелях, в пещерах, а также в специальных горных выработках, которые сооружаются в плотных горных породах (известняках, гранитах, глинах, каменной соли и др.). В полостях горных пород газы хранятся преимущественно в сжиженном состоянии при температуре окружающей среды и при давлении порядка 0,8 1,0Мн/м 2 (8 10кгс/см 2 )и более. Обычно это пропан, бутан и их смеси. С начала 60-х гг. применяется в промышленных масштабах подземное и наземное хранение природного газа в жидком состоянии при атмосферном давлении и низкой температуре (т. н. изотермические хранилища). Из опыта организации и эксплуатации, наиболее дёшевы и удобны ПХГ, созданные в водоносных пластах. ПХГ в водоносном пласте представляет собой искусственно созданную газовую залежь, которая эксплуатируется циклически. Для устройства такой залежи необходимо, чтобы водоносный пласт был достаточно порист, проницаем, имел бы ловушку для газа и допускал оттеснение воды из ловушки на периферию пласта. Газ, закачанный в ловушку, оттесняет из неё воду и размещается над водой. Плотные отложения, образуя кровлю над пластом-коллектором, не позволяют газу просочиться вверх. Пластовая вода удерживает газ от ухода его в стороны и вниз. При создании ПХГ в водоносном пласте основная трудность состоит в том, чтобы выяснить, действительно ли разведываемая часть пласта представляет собой ловушку для газа. Создание ПХГ в водоносном пласте продолжается в среднем 3 8 лет и обходится в несколько млн. руб. Срок окупаемости капитальных затрат составляет 2 3 года. ПХГ в водоносных пластах устраивают обычно на глубине от 200 и более метров. Какие же геолого-гидрогеологические предпосылки необходимы для создания ПХГ? Геолого-гидрогеологические предпосылки На первый взгляд, главным критерием геолого-гидрогеологической оценки возможностей организации ПХГ должна быть характеристика емкостных и фильтрационных свойств водоносного горизонта. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что основным критерием является закрытость гидрогеологического объекта, причем закрытость не в локальном, а в региональном плане. Региональная закрытость позволяет предупредить такие неприятные последствия закачки газа, как возможная миграция газа в ниже- и вышележащие горизонты (вплоть до дневной поверхности), содержащие питьевые, бальнеологические или промышленно значимые воды Следовательно, для оценки возможностей закачки газа пригодны любые виды информации, отражающие, в той или иной степени, закрытость водоносных горизонтов. При сравнении тектонических элементов, предпочтение в плане закрытости недр должно быть отдано платформенным территориям. Действительно, краевые прогибы и межгорные впадины в большей мере осложнены дизъюнктивными нарушениями, чем платформы. Вместе с тем для тех и других характерна большая нарушенность (меньшая закрытость) краевых частей, по сравнению с центральными. Кроме того, различия в истории геологического развития платформ и краевых прогибов (межгорных впадин) указывают на меньшую выдержанность литологического строения последних по сравнению с первыми. В пределах платформ, краевых прогибов и межгорных впадин, водоносные горизонты, пригодные для создания ПХГ, приурочены обычно к погруженным частям их, т.е. впадинам и синеклизам в пределах платформ и синклинальным зонам в пределах краевых прогибов. В гидрогеологическом аспекте этим тектоническим элементам отвечают артезианские бассейны разной масштабности. В артезианских бассейнах, как известно, прослеживается вертикальная гидродинамическая зональность (зона активного водообмена - верхняя; зона замедленного водообмена - средняя; весьма затрудненного (векового) водообмена - нижняя). Эта зональность подтверждается также гидрохимическими, изотопными и газохимическими материалами в регионах различного строения.
2 В верхнюю зону (активного водообмена) обычно включаются водоносные горизонты неглубокого залегания, гидродинамический режим которых определяется положением местных и региональных базисов эрозии (дренирования). Мощность этой зоны изменяется в широких пределах, от десятков метров до 500 м и более. Химический состав и минерализация вод этой зоны определяются климатом: в гумидных областях с ними связаны пресные воды гидрокарбонатнонатриевого или сульфатно-натриевого (по В.А. Сулину) типов, в аридных областях - пресные, солоноватые, иногда соленые воды. Средняя зона (замедленного водообмена) занимает промежуточное положение между зонами активного и застойного режимов. В этой зоне прослеживается влияние не сезонных, а вековых климатических колебаний, роль эрозионного вреза снижается, дренаж затруднен. «Кровля» зоны обычно соответствует подошве первого регионального водоупора, залегающего гипсометрически ниже базиса эрозии. В платформенных областях эта зона достигает глубины м, в горноскладчатых - прослеживается на гораздо большей глубине. Для нее характерны солоноватые и соленые воды. Нижняя зона (весьма затрудненного (векового) водообмена) охватывает нижние части разреза осадочного чехла; движение вод и сток их проявляются в масштабах геологического времени, дренаж отсутствует; влияние климата не сказывается. Зона застойного режима прослеживается не только в артезианских бассейнах платформенного типа, но также в бассейнах краевых прогибов и межгорных впадин. Для этой зоны характерны воды хлоркальциевого типа (по В.А. Сулину) различной минерализации (вплоть до рассолов). Рассмотрим некоторые общие требования для создания в водоносном горизонте ПХГ. Требования к водоносным горизонтам Создание ПХГ в водоносных комплексах возможно лишь при соответствующем благоприятном сочетании геологических и гидрогеологических условий. Немаловажна, при этом роль дизъюнктивной тектоники. Недоучет этого фактора чреват крайне негативными экологическими последствиями - возможностью прорыва соленых вод и газа в верхние водоносные горизонты. В большинстве нефтегазоносных районов существуют благоприятные геологогидрогеологические условия для организации ПХГ. Они предопределены чередованием в геологическом разрезе проницаемых (коллекторов) и практически непроницаемых водоупорных пластов. Из числа проницаемых пластов конкретного геологического разреза для закачки выбирается наиболее мощный водоносный горизонт. Весьма благоприятным фактором является наличие над основным рабочим объектом, так называемого «буферного» горизонта, представленного водонасыщенными проницаемыми породами, в которые закачка не планируется. «Буферный» горизонт должен быть отделен от нижележащего рабочего объекта, локальными водоупорными толщами. В качестве «буферных» могут использоваться резервные водоносные горизонты, развитые над рабочими. Роль «буферного» горизонта заключается в возможности поступления в него части газа или пластовых, вод из нижележащего водоносного горизонта при его переполнении, либо в случае вертикальных восходящих перетоков соленых вод из нижележащих горизонта из-за неисправности нагнетательных скважин или особенностей геологического строения и гидродинамических условий. Тем самым «буферный» горизонт призван снять часть пластового давления, возрастающего в рабочем горизонте. Весьма желательно при этом снижение пластового давления в «буферном» горизонте, что наблюдается в водоносных пластах, подстилающих разрабатываемые газовые залежи и взаимосвязанных гидродинамически. Наличие «буферного» горизонта не является обязательным требованием, но оно повышает надежность ПХГ, поэтому, в принципе, желательно. Безусловно, необходимо, чтобы непосредственно над рабочим поглощающим горизонтом или несколько выше над «буферным» горизонтом был развит достаточно мощный и выдержанный по площади, надежный региональный водоупор. Он должен отделять нижние гидрогеологические (гидродинамические, гидрохимические) зоны, характеризующиеся застойным и весьма застойным режимом, от верхних гидрогеологических зон (затрудненного и активного водообмена). К водоносным горизонтам, в которых предполагается организация ПХГ предъявляются следующие требования: -отсутствие пресных вод питьевого качества; - насыщенность солеными и рассольными водами, не используемыми в настоящее время и не планируемыми к использованию для лечебных целей, технического водоснабжения, извлечения
3 ценных компонентов на расстоянии ближе расчетного радиуса влияния растекания закачиваемых вод за весь период эксплуатации системы захоронения; - соответствие фильтрационно-емкостных свойств пластов-коллекторов приему запланированных объемов сточных вод; - надежная изоляция основного водоносного горизонта выдержанными по мощности, регионально протяженными водоупорами от вышележащих водоносных горизонтов с пресными водами; - залегание водоносного горизонта на приемлемых в технико-экономическом отношении глубинах; - отсутствие тектонических нарушений в зоне залегания поглощающих горизонтов. С точки зрения литологического состава пластов-коллекторов наиболее перспективны водоносные горизонты в терригенных (песчаниках, песках, алевролитах) породах. Для карбонатных пород характерна повышенная трещиноватость, что может привести к утечке газа. Региональные водоупорные покрышки (экраны) должны обеспечивать надежность изоляции развитых под ними водоносных горизонтов в условиях повышающегося пластового давления вследствие закачки газа. В литологическом отношении наилучшими покрышками являются мощные толщи глин, каменной соли и многолетнемерзлых пород. Этим породам должно отдаваться предпочтение в качестве покрышек при выборе водоносного объекта для закачки газа. Менее надежны покрышки, сложенные ангидритами, аргиллитами, плотными доломитами и известняками, эффузивными и метаморфическими породами. Большое значение имеет положение рабочего водоносного горизонта по отношению к разрабатываемым газовым, газоконденсатным и нефтяным залежам. Возможны следующие основные варианты поглощающих горизонтов: 1 - продуктивный пласт за пределами контура нефтегазоносности (водонасыщенная часть продуктивного пласта) в зоне депрессионной воронки либо за ее пределами; 2 - подошвенная водонасыщенная часть разреза, подстилающая массивную водоплавающую залежь в контуре нефтегазоносности, в зоне развития депрессионной воронки; 3 - горизонт под разрабатываемыми залежами, от которых он отделен надежным экраном, препятствующим развитию депрессионной воронки вглубь; 4 - горизонт над экранирующей покрышкой разрабатываемой залежи. Первые два варианта являются наиболее благоприятными (причем второй благоприятнее первого), четвертый вариант наименее предпочтителен. Основные гидрогеологические и специальные исследования при организации и эксплуатации ПХГ Организация и эксплуатация ПХГ в водоносных горизонтах требует проведения гидрогеологических и специализированных исследований. Основным методом исследования является скважинный метод. Он применяется как при разведке, так и при эксплуатации ПХГ. Только с помощью скважин можно получить необходимые параметры водоносных горизонтов и разделяющих их экранов. Это, в свою очередь, дает возможность обоснованного выбора рабочего горизонта для закачки сточных вод и буферных горизонтов, а также получения исходных данных для прогнозных гидродинамических расчетов, лабораторного моделирования физико-химических процессов, проектирования полигонов ПЗС, разработки регламентов их эксплуатации и контроля за подземным захоронением газа. В процессе эксплуатации ПХГ скважины являются основными сооружениями по осуществлению закачки газа в водоносный горизонт и главным средством контроля за технологией и безопасностью данного производства для окружающей среды. Строительство глубоких разведочно-эксплуатационных, эксплуатационных и наблюдательных скважин для целей ПХГ осуществляется по той же технологии и теми же техническими средствами, что и строительство нефтяных и газовых скважин. Соответственно на всех стадиях проектирования, строительства, испытания, эксплуатации и ликвидации скважин для целей ПЗС обязательным является соблюдение всех норм и правил, принятых для нефтяных и газовых скважин. Процесс обоснования и выбора объекта закачки зависит от степени изученности территории. Если предполагаемый объект находится на территории разрабатываемых месторождений, выбор осуществляется на основе имеющихся промысловых данных. Если на неизученных территориях бурится специальная разведочно-эксплуатационная скважина, в которой геологический разрез
4 изучается двумя методами: с помощью отбора, визуального описания и лабораторного анализа керна и шлама и посредством комплекса промыслово-геофизических исследований. Опытные гидрогеологические работы для целей обоснования ПХГ выполняются в обсаженной трубами скважине. Поэтому методика их одинакова как для вновь бурящихся разведочно-эксплуатационных, так и для переоборудованных в нагнетательные ранее пробуренных скважин иного назначения (разведочных и эксплуатационных газовых и нефтяных). Как правило, в разведочно-эксплуатационной скважине испытывается несколько водоносных объектов, а в эксплуатационной - один объект. Испытания водоносных объектов проводятся последовательно снизу вверх с последующей изоляцией каждого испытанного объекта установкой над ним цементного моста. Последний (верхний) испытанный объект может быть использован впоследствии либо для закачки сточных вод, и тогда скважина будет переведена в категорию эксплуатационных нагнетательных (поглощающих), либо он будет оставлен для наблюдений за режимом водоносного горизонта, и тогда скважина станет наблюдательной. ПХГ, являясь природоохранным мероприятием, само может нанести ущерб окружающей среде и недрам при несоблюдении норм проектирования, строительства и эксплуатации. Охрана недр и окружающей среды при строительстве и эксплуатации ПХГ предусматривает проведение комплекса мероприятий, направленных на предотвращение разливов и утечек газа и соленых вод. Исключение любых путей загрязнения окружающей среды достигается посредством выбора под закачки надежно изолированных водоносных горизонтов, применения совершенных технологических решений для всей цепочки сбора, подготовки, транспортировки и закачки газа. Необходимой мерой охраны окружающей среды является организация зон санитарной охраны вокруг сооружений по ПХГ. Работы, связанные с контролем, должны осуществляться еще до начала закачки, во время строительства. Создается режимная наблюдательная сеть, состоящая из специальных наблюдательных скважин. Контролируется состояние рабочего водоносного и «буферного» горизонтов, зона пресных вод. В эту сеть включаются также имеющиеся рядом родники и поверхностные водотоки. Число скважин вышеуказанного назначения определяется из расчета одна скважина на 10 км 2, причем из них % скважин в общей наблюдательной сети - режимные. До начала закачки газа обязательно по всей созданной сети проводятся исследования с целью получения фоновых гидрогеологических характеристик. В процессе эксплуатации проводится комплексное гидрогеохимическое опробование общей сети. Один раз в год, на ключевых участках - два раза в год. Определение химического состава верхнего слоя горных пород предусмотрено один раз в два года, на ключевых участках - один раз в год. Кроме того ежесуточно ведется учет закачиваемых и отобранных объемов газа. Фиксируется время закачки, давление на насосах и на устье нагнетательных скважин (на головке НКТ, между НКТ и эксплуатационной колонной, в межтрубье других обсадных колонн). Регулярно проводится осмотр всех коммуникаций по сбору и транспортировке газа для выявления возможных утечек в целях скорейшего их устранения. В эксплуатационных нагнетательных скважинах один раз в год выполняется комплекс промыслово-геофизических исследований для определения интервалов поглощения и технического состояния скважин (возможной негерметичности НКТ). Регулярно по показаниям манометров на устье проверяется герметичность НКТ, пакера, обсадных труб. В глубоких наблюдательных скважинах, контролирующих «буферные» горизонты не реже одного раза в год, осуществляются замеры уровня жидкости, отбор проб жидкости по стволу до забоя. Не реже одного раза в год глубинным манометром измеряются пластовое давление и пластовая температура. Один раз в год выполняется комплекс промыслово-геофизических исследований для определения движения флюидов в зоне скважины. Контроль за чистотой подземных вод верхних водоносных горизонтов в районе создаваемых ПХГ осуществляется с помощью специально пробуренных для этой цели неглубоких (от м до м) гидрогеологических наблюдательных скважин. В этих скважинах, не реже одного раза в квартал, проводятся замеры статического уровня воды, отбор и химический анализ проб воды. Все виды работ по контролю за ПХГ и полученные результаты заносятся в журналы текущей документации, оформляются актами и отражаются в отчетности соответствующих производственных служб и функциональных подразделений предприятий.
5 Рекомендации по созданию ПХГ в водоносных горизонтах Самым предпочтительным объектом для создания ПХГ в водоносных горизонтах является нижняя зона затрудненного водообмена. Эта зона наиболее изолированная от верхних зон и содержит не пригодные для практического использования воды. В пределах Татарстана, например, в эту зону входят четыре водоносных комплекса: 1) слабоводоносная зона архейско-нижнепротерозойских пород (АR PR); 2)слабоводоносный верхнепротерозойский терригенный комплекс (PR 2 ); 3) слабоводоносный живетско-нижнефранский терригенный комплекс (Dzv-f 1 ); 4) слабоводоносная cаргаевско-турнейская карбонатная серия (D 3 sr- C 1 t). Эти комплексы перекрыты сверху региональным водоупорным локально слабоводоносным косьвинско-тульским терригенным комплексом (C 1 ks-tl). В качестве основного рабочего объекта предлагается использовать живетско-нижнефранский терригенный комплекс, в качестве «буферного» - слабоводоносную cаргаевско-турнейскую карбонатную серию.
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗА ОСВОЕНИЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВСПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗА ОСВОЕНИЕМ МЕСТОРОЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Патент РФ 2544948 Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем нефти и газа РАН. Авторы: Богоявленский