Инфракрасная спектрометрия как один из методов контроля при разработке ачимовских отложений Уренгойского НГКМ

УДК 622.279.23/.4

В.Ю. Артемьев, Е.Б. Григорьев, О.А. Шигидин

Инфракрасная спектрометрия

как один из методов контроля при разработке

ачимовских отложений Уренгойского НГКМ

В пределах Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) в основании сортымской свиты (берриас-валанжинский ярус) выделяется ачимовская толща, представленная в основном переслаиванием песчаников, алевролитов и глинистых пород, толщина которых варьируется от 80 до 418 м.

Строение ачимовской толщи крайне неоднородно: в ее составе выделяются несколько песчаных пластов, имеющих линзовидный характер залегания. К этим пластам приурочены газоконденсатные и нефтяные залежи ряда месторождений.

Наибольшими размерами и продуктивностью характеризуются резервуары Ач3-4, Ач5. Средние дебиты газоконденсатной смеси при исследовании во многих скважинах превышают 300-400 тыс. м3/сут, а дебиты стабильного конденсата варьируются от 80 до 150 м3/сут. В то же время для отдельных участков и блоков характерны низкоэнергетические свойства, поэтому при испытании наблюдаются низкодебитные притоки газоконденсата. Следует отметить ряд особенностей, присущих ачимовским отложениям Уренгойского нефтегазоносного района: аномально высокие начальное пластовое давление (59-61 МПа) и температура (105-115 °С), высокое содержание конденсата в газе (275-420 г/м3), одновременное залегание в пластах конденсатсодержащего газа и нефти.

Методика исследования

Для обеспечения постоянного комплексного наблюдения за физико-химическими свойствами добываемых флюидов предлагается использовать метод инфракрасной спектрометрии с Фурье-преобразованием. Этот метод является одной из разновидностей молекулярного анализа и основан на поглощении света молекулами вещества в инфракрасной области. Он позволяет судить о химическом составе нефтей и конденсатов, не проводя их фракционирования, а также получать информацию о составе и относительном содержании определенных структурных групп и связей (-СН3; -СН2; -СО; -ОН; =8О; С=С и т.д.), необходимую для геохимических обобщений.

Как известно [1, 2, 3], любой спектр можно представить в виде совокупности коэффициентов, в частности в данной статье используются следующие из них:

А1 = -01606 / Б723 - условное отношение ароматических структур к парафиновым; А6 = А606 / Д457 - условное содержание ароматических структур;

Н2 = Б966 / Д457 - условное содержание нафтеновых структур;

П2 = В7ТЗ / Д457 - условное содержание парафиновых структур;

Р = Б1377 / Д457 - коэффициент разветвленности структур;

Н = -0966 / В7ТЗ - условное отношение нафтеновых структур к парафиновым. Исследования и обработка данных проводились по схеме, включающей анализ полос поглощения в диапазоне 1800-450 см-1 и сравнение их с реперными - 14581460 и 723 см-1. Работа выполнялась на ИК-спектрометре с Фурье-преобразованием Регкш-Е1шег 1615 (1997-2008 гг.) и Уапап ЕхсаИЬиг 3100 (2009-2012 гг.).

Результаты и обсуждения

На первом этапе изучались пробы флюидов из скважин, находившихся в опытнопромышленной эксплуатации (1997-2005 гг.). Проанализированная выборка

Ключевые слова;

газоконденсат,

нефть,

ачимовская толща,

инфракрасная

спектрометрия

c Фурье-преобра-

зованием,

коэффициенты

А13 и К.

Keywords;

gas condensate, petroleum,

Achimovskaya strata, Fourier transform infrared spectrometry (FTIR),

coefficients А13, K.

характеризуется двумя основными типами ИК-спектров, четко различающимися в диапазоне волновых чисел 900-600 см-1 и условно названными «ароматическими» и «парафиновыми» (рис. 1). При их значительном сходстве отмечаются различные интенсивность и выраженность ряда полос поглощения, в первую очередь - 767, 741 и 810-806 см-1.

На основе названных полос были разработаны и предложены [4, 5] дополнительные спектральные коэффициенты А13 и К, характеризующие относительное содержание различных ароматических структур, и установлены диапазоны их изменений. Как показали дальнейшие исследования, в результате применения этих параметров, появилась возможность оценки типа добываемых флюидов:

А13 > 1, К < 1 - конденсаты;

А13 > 1, К > 1 - конденсаты с примесью нефти;

А13 < 1, К < 1 - смесь нефтей и конденсатов;

А13 < 1, К > 1 - нефти.

Коэффициент А13 = Д767 / Б741 представляет отношение значений оптических плотностей полос 767 и 741 см-1. Анализ распределения величин этого коэффициента по десятиградусным фракциям разгонок конденсатов и нефтей позволил сделать вывод о том, что данный параметр определяет отношение количества моноциклической аро-матики к сумме фракций моно- и бициклической ароматики.

Волновое число, см-1 900 800 700 600

Волновое число, см-1 900 800 700 600

а

£

о

с

Е

с

а

£

О

С

Е

С

Рис. 1. ИК-спектры «парафинового» (а) и «ароматического» (б) видов в диапазоне 900-600 см-1

Для более детальной оценки свойств УВ-систем введен дополнительный параметр К = -0810-806 / Д606, характеризующий условное содержание тяжелой ароматики (полизамещенной моно- и бициклической) по отношению к суммарному содержанию ароматической фракции.

Анализ величин А13 флюидов ачимовской толщи (А13 = 0,85-1,02) и сравнение их с данными по вышележащим валанжинским пластам БУ8-БУ14 показали, что ачимов-ские конденсаты занимают обособленное положение - пограничную область между конденсатами (А13 = 1,02-1,19) и нефтями (А13 = 0,77-0,87) валанжина. Одним из возможных объяснений такого распределения может быть признано влияние на формирование химического состава флюидов ачимовской толщи аномально высоких пластовых давлений и температур > 100 °С. В этих условиях возрастает растворяющая способность сжатого газа, что повышает возможность перехода в него более сложных по строению соединений, особенно ароматических, вследствие чего химические составы конденсатов и нефтей сближаются. Таким образом, можно утверждать, что ачи-мовские конденсаты занимают переходную зону своеобразных смесей, являясь промежуточным звеном в ряду углеводородных флюидов Уренгойского месторождения.

На всех полученных спектрах фиксируется широкий набор полос поглощения, относящихся к ароматическим структурам, - 1607, 874, 810-806, 767, 741, 692 см-1, что свидетельствует о присутствии соединений ряда бензола (моноциклическая аро-матика) различной степени замещения.

Полосы 874, 810, 1168 см-1 подтверждают наличие в составе и более сложных ароматических структур, например гомологов нафталина (бициклоароматика) и в какой-то мере полициклических нафтено-ароматических структур.

Интересные данные по ИК-спектрометрии получены при РУТ-исследованиях, по результатам которых сделана оценка о влиянии снижения давления на свойства добываемого и теряемого конденсатов [6].

Для всей выборки проб, отбиравшихся в процессе эксперимента, также зафиксированы два вида спектров - ароматический (А13 > 1), характерный только добываемым конденсатам, и парафиновый (А13 < 1), присущий только теряемым. Отмечается строгое сохранение вида спектров внутри каждой исследованной группы.

Распределение параметров А13 и К показало следующую направленность в зависимости от изменений давления (табл. 1).

Таблица 1

Распределение параметров А13 и К в добываемом и теряемом конденсатах

Добываемый конденсат

Пластовое давление, МПа 45,59 40,52 35,46 30,39 25,33 20,26 16,21 12,16 6,08

А13 1,05 1,09 1,09 1,21 1,16 1,2 1,2 1,15

К 0,94 0,91 0,91 1 0,86 1,01 0,84 0,9

Теряемый конденсат

Пластовое давление, МПа 40,52 30,39 20,26 12,16 6,08

А13 0,84 0,83 0,81 0,92 0,87

К 1,22 1,24 1,24 1,05 1,05

С учетом предложенной выше классификации добываемые конденсаты относятся к группе конденсатов (А13 > 1, К < 1), а теряемые - к группе нефтей (А13 < 1, К > 1), т.е. отмечается определенная тождественность между нефтями и конденсатами, выпавшими в пласте.

Анализ изменений спектральных коэффициентов конденсатов из скважин, находящихся в опытно-промышленной эксплуатации, подтверждает установленную направленность изменения параметра А13.

Учитывая выявленную тенденцию, были проанализированы изменения спектральных параметров конденсатов в процессе их добычи, и проведено сравнение этих данных с изменениями пластовых давлений (табл. 2).

Согласно данным табл. 2, для всей исследованной выборки образцов отмечается устойчивая тенденция роста величин А13 в процессе эксплуатации и снижения пластового давления (Рпл), т.е. внутри класса ароматических соединений все более превалируют моноароматические структуры. Зависимость между изменением значений А13 и пластового давления для ачимовских отложений выражена еще очень слабо, а коэффициент корреляции для проанализированного ряда скважин (716, 732, 705, 774, 778) колеблется в широком диапазоне (Я2 = 0,06-0,56) при среднем уровне

0,32. В отличие от ачимовской толщи для флюидов валанжина эта зависимость выражена более четко, а коэффициент корреляции для исследовавшихся скважин высок (Я2 = 0,54-0,99) при среднем уровне 0,84. Дать четкое объяснение полученным фактам на данный момент трудно, но можно предположить, что установленная между А13 и Рш зависимость контролируется степенью достижения давления начала конденсации (Рнк). Конденсаты ачимовской толщи находятся при Рш, значительно превышающем Рнк. В свою очередь для конденсатов продуктивных объектов валанжина в большинстве случаев этот порог уже пройден.

Таблица 2

Изменения коэффициента А13 флюидов скважин, находившихся в опытно-промышленной

эксплуатации на Уренгойском НГКМ

№ скв. Пласт Глубина, м Дата отбора А13 ^ МПа Рнк, МПа

716 Ач3-4 3668-3736 2000 1,07 58,8 47,5

1997 1,05 61,04

705 Ач3.5 3725-3782 2002 1,04 56,3 46,2

2001 0,99 57,7

1996 0,94 57,8

727 Ач3.4 3668-3704 2002 1,04 60,8 49

774 Ач3-5 3604-3675 2001 1,07 58,3

1999 0,96 60,8

1996 0,99 57,4

732 Ач3 3578-3589 2001 1,09 59,4 47

1998 1,04 60

778 Ач3-4 3568-3610 2001 1,05 57,8 48-52

1999 1,05 60,6

1996 0,97 60,7

336 Ач3-5 3595-3692 1999 1,07 60,5 44,5

800 Ач5 3575-3675 1999 1,02

1996 0,96 62,8

440 Ач4-5 3615-3715 1999 1,14 50,7 46,1

1996 0,95 56,6

285 Ач3-5 3570-3622 2001 0,95 54,9 53,8

1985 0,96 62,9

В то же время на этом фоне в отдельные периоды времени фиксируются флуктуации значений А13 в сторону уменьшения. Такой эффект встречается в тех случаях, когда в составе конденсатов появляются примеси нефтяного вещества или выпавшего в пласте конденсата.

В октябре 2009 г. был введен в разработку второй участок ачимовских отложений - 2А эксплуатационный участок (ГКП-22), объекты разработки в границах которого представлены продуктивными пластами Ач3-4 и Ач52-3. Согласно проекту, участок находится в опытно-промышленной разработке до 2014 г.

В 2009-2011 гг. методом промышленных отборов проведены первичные (до запуска скважин в эксплуатацию) исследования скважин второго участка опытнопромышленной разработки ачимовских отложений Уренгойского НГКМ. По данным исследований, проведенных ИТЦ «Газпром добыча Уренгой», начальное пластовое давление оценивается в пределах 57-60 МПа, потенциальное содержание С5+в на пла-стовый газ - 370-420 г/м3, давление начала конденсации - 52 МПа.

На рис. 2 представлен характерный ИК-спектр конденсатов ачимовских отложений, записанный в диапазоне волновых чисел 1800-450 см-1 на спектрометре Уапап БхеаИЪиг 3100 .

В диапазоне волновых чисел 1800-450 см-1 инфракрасные спектры конденсатов характеризуются высоким сходством как по набору полос поглощения, так и по их интенсивности.

Наиболее выраженными (высокоамплитудными) на ИК-спектрах являются полосы 1458 (метиленовые группы - СН2) и 1377 см-1 (метильные группы - СН3) открытых парафиновых цепей и нафтенов. Появление плеча на 1368 см-1 у полосы 1377 см-1 свидетельствует о наличии в структурах не только изолированных метильных групп, но и значительного количества геминальных (находящихся при одном углеродном атоме).

На ИК-спектрах флюидов фиксируется широкий набор полос поглощения, относимых к ароматическим структурам разного строения, - 1607, 874, 844, 806, 767,

1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 4

Волновое число, см'1

Рис. 2. Характерный ИК-спектр конденсатов ачимовской толщи Уренгойского НГКМ

740, 694, 675, 464 см-1 и в первую очередь - начальных членов ряда бензола различной степени замещенности. Интенсивные полосы 675 (бензол), 464 и 727 (толуол),

740 (п-ксилол), 767 (м-ксилол) см-1 указывают на повышенное содержание в составе ароматической фракции данных индивидуальных соединений.

Интенсивно выраженная полоса 727см-1 сильно перекрывается с полосой 720-724 см-1, связанной с колебаниями метиленовых групп парафиновых цепей, снижает точность определения положения максимумов полос поглощения, характерных для (СН2)и-групп. Несмотря на это, условно рассчитанная полоса 723 см-1 позволяет говорить о высоком содержании в составе длинноцепочечных (количество звеньев СН2 - более 6) парафиновых структур.

Наличие четких полос 966 и 1030 см-1 (нафтеновые структуры) указывает, что данный класс соединений представлен значительным числом гомологов - как в виде изолированных, так и конденсированных (1170-1160см-1), что в свою очередь дополняется присутствием полосы 1052 см-1 (нафтены и изоалканы). Нафтены представлены как циклопентановыми (2926 см-1), так и циклогексановыми (2956 см-1) структурами, причем шестичленные несколько превалируют над пятичленными. Спектральные коэффициенты конденсатов показывают, что для исследованных образцов характерно высокое содержание парафиновых структур как нормального, так и изостроения (табл. 3).

Таблица 3

Спектральные коэффициенты конденсатов участка 2А

№ скв. Дата отбора Спектральные коэффициенты

А13 К А1 Р А6 Н1 Н2 П2

209-3 22.05.10 1 0,87 0,72 0,64 0,22 0,62 0,19 0,31

209-5 11-13.01.10 1,04 0,93 0,72 0,64 0,22 0,64 0,2 0,31

20.10.09 1,03 0,92 0,74 0,63 0,2 0,61 0,16 0,27

211-4 29.05.12 1,05 0,9 0,76 0,66 0,24 0,63 0,2 0,31

09-11.10.09 1 0,93 0,69 0,61 0,2 0,61 0,18 0,29

212-1 18.04.12 1,03 0,91 0,71 0,61 0,2 0,63 0,18 0,28

15-21.08.09 0,99 0,92 0,65 0,6 0,19 0,59 0,17 0,29

212-2 27.04.12 1,01 0,89 0,71 0,63 0,21 0,61 0,18 0,31

212-4 24.04.12 1,09 0,93 0,72 0,66 0,22 0,67 0,2 0,31

213-1 05.06.10 0,99 0,91 0,67 0,6 0,19 0,6 0,17 0,28

213-3 01-03.04.12 1 0,95 0,73 0,63 0,22 0,62 0,18 0,3

По величине коэффициентов А13 и К (А13 > 1, К < 1) и контрольным полосам (1458, 806, 727 см-1) исследованные флюиды, согласно предложенной классификации, могут быть отнесены к типу конденсатов.

По величине коэффициента ароматизиро-ванности А1 = 0,69-0,73 оцениваются как метановые и метаново-нафтеновые, что подтверждается высоким значением коэффициента П2 = 0,28-0,31, характеризующего условное содержание парафиновых структур. В свою очередь содержание нафтеновых (Н2 = 0,16-0,2) и ароматических структур (А6 = 0,19-0,24) характеризуется более низкими значениями.

Установлено [7], что если бензольное кольцо сконденсировано с насыщенным (нафтеновым) циклом, то спектрально такое вещество ведет себя как соответствующее замещенное. Часть нафтеновых структур входит в состав комбинированных нафтено-ароматических

комплексов, что приводит к увеличению значений коэффициента А6 по сравнению с Н2.

Коэффициент Р = 0,67-0,7, характеризующий степень разветвленности структур, является важным признаком, подтверждающим присутствие в составе значительного количества разветвленных, вероятнее всего изопара-финовых структур.

В процессе ИК-исследований конденсатов Уренгойского месторождения, особенно с 2003-2004 гг., отмечается появление в ряде спектров широкого набора полос поглоще-

Список литературы

1. Глебовская Е.А. Применение инфракрасной спектрометрии в нефтяной геохимии /

Е.А. Глебовская. - Л.: Недра, 1971. - С. 140.

2. Юркевич И.А. Сравнительное изучение высокомолекулярной части нефтей и битумов / И.А. Юркевич, Е.Р. Разумова. - М.: Наука,

1981. - С. 160.

3. Инфракрасная спектрометрия нефтей и конденсатов / Н.П. Калугина, Е.А. Глебовская, Ф.Р. Бабаев и др. - Ашхабад.: Ылым, 1990. -С. 240.

4. Артемьев В.Ю. Экспрессный метод определения типа флюида по данным инфракрасной спектрометрии с Фурье-преобразованием (ИКС ФП) / В. Ю. Артемьев, Т.Д. Островская // Строительство разведочных скважин на ачимовские отложения ВосточноУренгойской зоны: матер. геол.-техн. совещания. - Тюмень, 1999. - С. 268-273.

ния в области 1500-1800 см-1, ранее не фиксировавшихся. В первую очередь это выразилось в появлении в ИК-спектрах полос поглощения, характерных для кислородсодержащих (1716, 1700, 1690, 1658, 1548 см-1) и непредельных (1640 см-1) структур. Эти полосы указывают на появление в составе конденсатов гетероциклических ароматических соединений, карбонильных группировок кислот эфиров, альдегидов, кетонов.

В заключение можно отметить, что выявленная связь между изменениями А13, К, Рпл и ПС5+в позволяет оперативно фиксировать, а в перспективе - создать методику экспресс-оценки происходящих изменений и контролировать свойства добываемой продукции.

Проведенные исследования (мониторинг) спектральных характеристик флюидов ачимов-ских отложений Уренгойского НГКМ показали, что данные ИК-спектрометрии могут использоваться для получения комплексной информации по оценке изменений физико-химических свойств флюидов, происходящих в залежи в процессе разработки.

Набор информационных характеристик включает:

• оценку типа добываемого флюида по величине параметров А13 и К;

• фиксирование примесей нефти или выпавшего конденсата в добываемой продукции;

• прогноз изменений Рш и ПС5+в на основе данных ИКС.

5. Артемьев В.Ю. Метод определения типа флюида по данным инфракрасной спектрометрии / В.Ю. Артемьев // Изучение углеводородных систем сложного состава: науч.-техн. сб. - М.: ВНИИГАЗ, 2000. -

С. 127-134.

6. Артемьев В.Ю. Инфракрасные характеристики флюидов нижнемеловых отложений Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения / В.Ю. Артемьев, В.И. Лапшин,

Э.Т. Стройный // Современное состояние

и перспективы развития газоконденсатных и термодинамических исследований: науч.-техн. сб. - М.: ВНИИГАЗ, 2005. -С. 164-173.

7. Рашкес Я.В. Об основах применения инфракрасной спектроскопии в органической химии / Я.В. Рашкес. - Ташкент:

Изд. АН УзССР, 1963. - С. 56.