СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НЕДР РАЗРАБАТЫВАЕМОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD OF DETERMINING GEODYNAMIC ACTIVITY OF INSIDE OF PRODUCING HYDROCARBON DEPOSIT

Изобретение относится к области геофизических процессов, его области применения: геодинамическое районирование, обнаружение и трассирование тектонических нарушений в верхней части земной коры, выявление опасных геодинамических процессов, выбор рационального режима эксплуатации разрабатываемых месторождений углеводородов (УВ). Преимущественная область применения - оценка геодинамического состояния недр разрабатываемых месторождений УВ.
7
Известен способ обнаружения литосферных зон переменной геодинамической активности, основанный на анализе данных ионосферных спутниковых измерений магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы с последующим исключением из рассмотрения традиционно возмущенных областей и выделением зон устойчивого наблюдения индуцированных излучений ионосферной плазмы, причем одновременно фиксируют плотность потока электронов низких энергий и температуру окружающей спутник околоземной плазмы, затем выполняют корреляционный анализ для всех сочетаний зарегистрированных параметров, сравнивают полученный результат с данными геолого-геофизического картирования литосферной зоны, расположенной в зоне проекции на Землю орбиты спутника и делают вывод об обнаружении литосферных зон переменной геодинамической активности (см. патент РФ RU 2158942, МПК G01V 3/12, 29.10.1999).
Способ направлен на исследование физических явлений, происходящих в околоземном космическом пространстве на высотах внешней атмосферы за счет анализа спутниковых результатов одновременных измерений интенсивности магнитной и электрической компонент поля низкочастотных шумовых излучений, плотности потока электронов и температуры окружающей спутник плазмы, а поэтому оценить с его помощью геодинамическую активность недр разрабатываемого месторождения УВ не представляется возможным.
Известен способ анализа геодинамического полигона многоцелевого назначения по полезной модели, содержащей наземный полигон (НП), мобильное средство наблюдения (МСН) и центр сбора, регистрации и обработки информации (ЦСРО), при этом НП включает опорные пункты (ОП) для измерения параметров геофизических полей (ПГП), размещаемые посредством МСН на ОП НП средства измерения ПГП, средство высокоточной геодезической привязки ОП и средство первичной регистрации данных (ПРД), средства измерения ПГП выполнены в виде гравиметрической, и/или магнитометрической, и/или электрометрической, и/или термометрической, и/или сейсмометрической аппаратуры, в качестве средства высокоточной геодезической привязки ОП использована дифференциальная система спутниковой навигации (ДССН), а НП и МСН выполнены с возможностью передачи информации ПРД в ЦСРО, НП выполнен с возможностью измерения векторного поля региональных геодинамических деформаций, а также мониторинга локальных сдвиговых характеристик грунтов и включает ОП в виде N реперов, представляющих собой монолитные бетонные фундаменты, жестко связанные в подземной части с коренной геологической породой и снабженные в надземной части средством для высокоточной стационарной установки антенны ДССН и датчиков ПГП (см. патент на полезную модель №18314, МПК G01V, 20.02.2001).
Недостаток способа в направленности на исследование зон, в которых пролегают нефте- и газопроводы, а также необходимости в геодезической привязке с использованием дифференциальной системы спутниковой навигации.
Известен способ оценки влияния факторов на безопасность эксплуатации подземного хранилища газа (ПХГ) в пористом пласте, предназначенный для определения влияния различных природно-техногенных процессов на безопасность эксплуатации подземного хранилища газа (ПХГ). Способ включает создание полигона и проведение на нем комплексного мониторинга, построение карты по его результатам и прогнозирование возникновения чрезвычайных природно-техногенных событий, причем комплексный мониторинг проводят на региональном и локальном этапах по аэрокосмическому, деформационному, геофизическому, гидрогеологическому и флюидодинамическому блокам с использованием различной пространственно-временной детальности измерений, затем разрабатывают классификацию критериальных показателей для оценки риска и сравнивают рассчитанные показатели с критериальными, оценивают интенсивность проявления опасных техногенно-индуцированных процессов по единому суммарному коэффициенту состояния ПХГ, который сравнивают с предварительно рассчитанным критериальным коэффициентом и строят итоговую карту ранжирования территории по степени опасности (см. патент РФ №2423306, МПК: B65G 5/00; G01V 11/00; E21B 47/00, 24.02.2010).
Способ направлен на повышение надежности и безопасности эксплуатации ПХГ с определением влияния природно-техногенных процессов, но не позволяет оценить геодинамическую активность недр разрабатываемого месторождения УВ, что является его основным недостатком.
Кроме того, известны практические методы определения геодинамической активности территории разрабатываемого месторождений УВ. Например, известен метод определения геодинамической активности на основе контроля сдвижений земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых с помощью маркшейдерско-геодезических наблюдений по реперам профильных линий с методикой нивелирования I-II классов для определения оседаний поверхности и измерения длин линий между реперами (см., например, Инструкция по производству маркшейдерских работ. Утверждена постановлением Госгортехнадзора России №73 от 06.06.2003. Москва, 2003). Однако в связи с большими площадями территорий месторождений УВ применение данного метода неэффективно, т.к. требует закладки большого количества (через каждые 300-500 м) реперов, значительного числа геодезических ходов, результат обладает свойством накопления ошибок и на получение конечного результата требуется практически неприемлемо продолжительное время.
Для определения горизонтальных и вертикальных сдвижений точек земной поверхности возможны методы выполнения спутниковых наблюдений (см., например, Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. М.: ЦНИИГАиК, 2003, 182 с.). Основной недостаток использования данных методов состоит в том, что контроль сдвижений земной поверхности позволяет лишь априорно фиксировать результаты произошедших (возможно катастрофических) сейсмических событий. Кроме того, большинство существующих методов контроля за движением земной поверхности могут выполняться лишь эпизодически. При увеличении частоты замеров положений поверхности стоимость геодинамического мониторинга пропорционально возрастает.
Наиболее близок к предлагаемому изобретению является способ идентификации зон опасности сооружений, относящийся к области строительства и эксплуатации подземных и наземных сооружений и предназначенный для изучения строения и современной геодинамики земной коры с осуществлением прогноза степени активизации деформационных процессов при поиске, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Способ предусматривает проведение наземных и/или спутниковых повторных геодезических измерений земной поверхности в наблюдательных пунктах с одновременным измерением вертикальных и горизонтальных смещений, далее определяют амплитуды вертикальных h и горизонтальных L аномальных смещений земной поверхности, определяют величины относительных вертикальных и горизонтальных деформаций, по величинам которых судят об опасности для подземного или наземного сооружения, расположенного на этом участке земной поверхности (см. патент РФ №2467359, G01V 9/00, 16.06.2011).
Способ по прототипу направлен на повышение надежности строительства и безопасности эксплуатации сооружений с необходимостью повторных геодезических измерений земной поверхности в наблюдательных пунктах, но определить геодинамическую активность недр разрабатываемого месторождения углеводородов не представляется возможным, что является основным его недостатком.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в существенном повышении эффективности оценки геодинамической активности недр разрабатываемых месторождений УВ, а также существенного повышения вероятности выявления опасных геодинамических процессов.
2
2
2
j
Задача решается тем, что в способе определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения углеводородов устанавливают сейсмические станции, регистрируют с их помощью сейсмические сигналы, создают сейсмологическую сеть из расчета не менее трех станций на 10000 км, интегрируют данные о сейсмической активности недр разрабатываемого месторождения УВ от техногенно-природных событий в их объеме и окрестности, задают пороговое значение выделившейся сейсмической энергии на 10000 км, сравнивают интегрированные данные с заданным пороговым значением, и если порог не превышен, то продолжают интегрировать данные, а если превышен, то проводят геодинамическое районирование территории разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями с разрешением не более 100 км, выделяют участки с аномально высокой геодинамической активностью, уплотняют сейсмологическую сеть на участках с аномально высокой геодинамической активностью, на которых уплотняют сейсмологическую сеть за счет добавления на каждом не менее двух сейсмических станций с их размещением на расстоянии от 3 до 5 км друг от друга, находят сейсмически активные структуры геологической среды разрабатываемого месторождения УВ и с их учетом определяют деформации земной поверхности на выделенных участках месторождения УВ, определяют величину геодинамической активности x каждого выделенного участка по аддитивной модели (1) с использованием нормированных частных показателей :
i
где α - весовой коэффициент i-го частного показателя геодинамической активности;
j
- i-тый нормированный частный показатель геодинамического активности, причем выбирают частные показатели геодинамической активности с учетом особенностей разрабатываемого месторождения УВ из следующего перечня: глубина до поверхности кристаллического фундамента; частота тектонических нарушений; плотность сети пробуренных скважин; глубина залегания продуктивных пластов; мощность пластов; площадь месторождения; величина падения пластового давления; пористость вмещающих пород; прочность пород; наличие и количество гидроразрывов в пластах; объем закаченной жидкости; количество зарегистрированных сейсмических событий в районе месторождения; суммарная выделившаяся сейсмическая энергия в объеме месторождения и величина измеренной деформации земной поверхности, присваивают полученные величины геодинамической активности x выделенным участкам, строят вектор , компонентами которого берут полученные значения геодинамической активности выделенных участков и определяют модуль нормированного по количеству выделенных участков вектора по соотношению (2):
где j - количество выделенных участков с аномально высокой геодинамической активностью;
j
x - величина геодинамической активности j-того выделенного участка,
и по величине модуля вектора  судят о геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями в диапазоне от 0 до 1.
Совокупность существенных признаков способа определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ достаточна для достижения технического результата, который может быть получен при осуществлении изобретения, причем она обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Графическая часть включает в себя чертежи: фиг. 1, на которой изображена функциональная схема способа определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения углеводородов; фиг. 2, на которой приведен фрагмент сейсмограммы сейсмического события, зафиксированного сейсмическими станциями, объединенными в сейсмологическую сеть и фиг. 3, на которой приведены: нефтяные, нефтегазовые и газовые месторождения, в том числе Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение (ОНГКМ), действующие сейсмостанции, объединенные в сейсмологическую сеть, модельная зона для примера реализации способа, найденные структурообразующие разломы и зарегистрированные сейсмические события в недрах за пятилетний период.
2
2
2
j
Способ определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ отображен функциональной схемой (см. фиг. 1), включающей в себя следующие основные операции: 1 - устанавливают сейсмические станции; 2 - регистрируют с их помощью сейсмические сигналы; 3 - объединяют сейсмические станции в сейсмологическую сеть из расчета не менее трех станций на 10000 км; 4 - интегрируют данные о сейсмической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностью от техногенно-природных событий; 5 - задают пороговое значение выделившейся сейсмической энергии на 10000 км; 6 - сравнивают интегрированные данные с заданным пороговым значением; 7 - если порог не превышен, то продолжают интегрировать данные, а если превышен, то проводят геодинамическое районирование недр разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями с разрешением не более 100 км; 8 - выделяют участки с аномально высокой геодинамической активностью; 9 - уплотняют сейсмологическую сеть на участках с аномально высокой геодинамической активностью за счет добавления на каждом не менее двух сейсмических станций с их размещением на расстоянии от 3 до 5 км друг от друга; 10 - находят сейсмически активные структуры геологической среды разрабатываемого месторождения УВ; 11 - с учетом найденных сейсмически активных структур определяют деформации земной поверхности на выделенных участках месторождения УВ; 12 - определяют величину геодинамической активности x каждого выделенного участка по аддитивной модели (1) с использованием нормированных частных показателей ;
i
где α - весовой коэффициент i-го частного показателя геодинамической активности;
- i-тый нормированный частный показатель геодинамического активности;
j
13 - выбирают частные показатели геодинамической активности из следующего перечня: глубина до поверхности кристаллического фундамента; частота тектонических нарушений; частота сети пробуренных скважин; глубина залегания продуктивных пластов; мощность пластов; площадь месторождения; величина падения пластового давления; пористость вмещающих пород; прочность пород; наличие и количество гидроразрывов пластов; объем закаченной жидкости; количество зарегистрированных сейсмических событий в недрах месторождения с окрестностями; суммарная выделившаяся сейсмическая энергия и величина измеренной деформации земной поверхности. Выбор осуществляют с учетом особенностей разрабатываемого месторождения УВ; 14 - присваивают полученные величины геодинамической активности x выделенным участкам; 15 - строят вектор , компонентами которого берут полученные значения геодинамической активности выделенных участков; 16 - определяют модуль нормированного по количеству выделенных участков вектора по соотношению (2):
где j - количество выделенных участков с аномально высокой геодинамической активностью;
j
x - величина геодинамической активности j-того выделенного участка;
17 - по величине модуля, нормированного по количеству выделенных участков, вектора  судят в диапазоне от 0 до 1 о геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями.
2
2
2
j
Способ определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения углеводородов осуществляется следующим образом. Устанавливают (1) сейсмические станции и регистрируют (2) с их помощью сейсмические сигналы, объединяют (3) сейсмические станции в сейсмологическую сеть из расчета не менее трех станций на 10000 км, интегрируют (4) данные о сейсмической активности недр разрабатываемого месторождения углеводородов с его окрестностями, задают (5) пороговое значение выделившейся сейсмической энергии на 10000 км, сравнивают (6) интегрированные данные с заданным пороговым значением, и если порог не превышен, то продолжают интегрировать данные, а если превышен, то проводят (7) геодинамическое районирование территории разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями с разрешением не более 100 км, выделяют (8) участки с аномально высокой геодинамической активностью, на которых уплотняют (9) сейсмологическую сеть за счет добавления на каждом не менее двух сейсмических станций с их размещением на расстоянии от 3 до 5 км друг от друга, находят (10) сейсмически активные структуры геологической среды разрабатываемого месторождения УВ и с их учетом определяют (11) деформации земной поверхности на выделенных участках месторождения, определяют (12) величину геодинамической активности x каждого выделенного участка по аддитивной модели (1) с использованием нормированных частных показателей :
i
где α - весовой коэффициент i-го частного показателя геодинамической активности;
j
- i-тый нормированный частный показатель геодинамического активности. Причем выбирают (13) частные показатели геодинамической активности из следующего перечня: глубина до поверхности кристаллического фундамента; частота тектонических нарушений; частота сети пробуренных скважин; глубина залегания продуктивных пластов; мощность пластов; площадь месторождения; величина падения пластового давления; пористость вмещающих пород; прочность пород; наличие и количество гидроразрывов пластов; объем закаченной жидкости; количество зарегистрированных сейсмических событий; суммарная выделившаяся сейсмическая энергия и величина измеренной деформации земной поверхности. При выборе частных показателей геодинамического активности учитывают особенности разрабатываемого месторождения УВ. Затем присваивают (14) найденные величины геодинамической активности x выделенным участкам и строят (15) вектор . В качестве компонентов этого вектора берут полученные значения геодинамической активности выделенных участков. После чего определяют (16) модуль нормированного по количеству выделенных участков вектора по соотношению (2):
где j - количество выделенных участков с аномально высокой геодинамической активностью;
j
x - величина геодинамической активности j-того выделенного участка. По величине модуля  вектора судят (17) о геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями в диапазоне от 0 до 1.
2
В качестве примера реализации способа рассмотрим определение геодинамической активности модельной зоны площадью 500 км разрабатываемого Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ОНГКМ). С учетом требований по проведению геодинамических мониторингов на разрабатываемых месторождениях углеводородов спроектирована сейсмологическая сеть из сейсмических станций «Газ-сейсмика», состоящая из стационарных и передвижных сейсмических станций. Комплект оборудования каждой стационарной сейсмической станции включает в себя следующие блоки и системы:
- два комплекта сейсмометров, установленных в специально обустроенных бункерах глубиной 3-6 м;
- блок сбора и выделения сейсмического сигнала;
- GNSS-приемник, для привязки точного времени;
- компьютер сбора и обработки данных;
- система питания.
7,1
4
2
5
2
4
2
2
Для определения геодинамической активности недр выбранной зоны разрабатываемого ОНГКМ с помощью сейсмических станций создана сейсмологическая сеть, с помощью которой зарегистрированы сейсмические события (см. фиг. 2 с фрагментом сейсмограммы), затем проинтегрированы за пятилетний период данные о сейсмической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с его окрестностями. За пятилетний период накопленная выделившаяся сейсмическая энергия составила 10 Дж (см. фиг. 3 с нанесенной модельной зоной). После чего определена плотность выделившейся сейсмической энергии, для модельной зоны ОНГКМ она составила 2,52·10 Дж/км. При заданном в первом случае пороговом значении плотности выделившейся сейсмической энергии, равном 2·10 Дж/км, необходимо продолжать процесс интеграции сейсмических данных, а во втором случае - при заданном пороговом значении 2·10 Дж/км, плотность выделившейся сейсмической энергии превышает выбранное пороговое значение. Поэтому проведено геодинамическое районирование модельной зоны ОНГКМ с разрешением один км. Затем выделены два участка с аномально высокой геодинамической активностью, на которых сейсмологическую сеть уплотнили за счет добавления передвижных сейсмических станций. За счет использования дополнительных сейсмостанций выделена одна сейсмически активная геологическая структура, которая, в частности, входит в Соль-Илецкий свод, в пределах которого регистрируется более 60% всех сейсмических событий разрабатываемого ОНГКМ. После чего определены деформации земной поверхности на выделенных участках с использованием сети из GNSS-станций с достигнутой точностью измерений в пределах 7 мм.
1
2
1
2
Определены для каждого из двух выделенных участков величины геодинамической активности x и x, причем для их определения использованы первые пять нормированных частных показателей из приведенного в описании перечня. Результаты определения следующие: x=0,31, а x=0,29. Далее построен двухкомпонентный вектор  и определен его модуль по соотношению (2). Его величина, равная 0,30, достаточно характеризует геодинамическое состояние недр модельной зоны с ее окрестностью разрабатываемого ОНГКМ.
Технико-экономическая оценка предложенного способа определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с использованием сейсмологической сети выполнена по методике Г.Я. Гольдштейна [см. Гольдштейн Г.Я. Инновационный менеджмент. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. 132 с.]. Определим коэффициент эффективности на основе интегрального экономического показателя, в качестве которого при сравнении предложенного способа со способом на основе геометрического нивелирования (см., например, Инструкция по производству маркшейдерских работ, утвержденная постановлением Госгортехнадзора России №73 от 06.06.2003, г. Москва, 2003) служат затраты на их реализацию. Они выражаются следующей формулой:
ie
e
I=K+Z
где K - единовременные капитальные затраты (на приобретение, транспортировку, монтаж, а также сопутствующие затраты);
e
Z - затраты на эксплуатацию за все время работы изделия.
2
Интегральный экономический показатель реализации предложенного способа определения геодинамической активности недр разрабатываемого месторождения УВ с площадью до 10000 км и по способу геометрического нивелирования в течение 10 лет оцениваем следующим образом:
- стоимость реализации в первые 5 лет определяется стоимостью проекта сейсмологического мониторинга (оценивается в 1 млн руб), стоимостью оборудования и бункера сейсмостанции (3 станции по 0,6 млн руб). Сюда включаются также эксплуатационные расходы (обслуживание 3 станций по 0,3 млн руб каждая в течение 5 лет);
- стоимость реализации в последующие 5 лет (при выявлении в первые пять лет геодинамически активных зон) оценивается стоимостью оборудования (GNSS-приемники - 1 млн руб), эксплуатационными расходами (обслуживание GNSS-станций 0.4 млн руб в год в течение 5 лет);
ie
- стоимость реализации в последующие 5 лет (при отсутствии в течении первых пяти лет геодинамической активности недр) оценивается эксплуатационными расходы (обслуживание 3 станций по 0,3 млн руб каждая в течение 5 лет). Верхняя оценка интегрального экономического показателя при достаточной геодинамической активности недр составит I=9,8 млн руб.
Интегральный экономический показатель проведения мониторинга по способу геометрического нивелирования, согласно Инструкции по производству маркшейдерских работ, оцениваем следующим образом: стоимость реализации в первые 5 лет определяется стоимостью проекта проведения мониторинга (оценивается в 1 млн руб), стоимостью оборудования (3 нивелира II класса точности по 0,5 млн руб) и эксплуатационными расходами (снятие параметров 800 точек в год по 0,003 млн руб каждая в течение 10 лет).
ie
Оценка интегрального экономического показателя  проведения мониторинга по способу геометрического нивелирования составит 26,5 млн руб. Тогда, коэффициент эффективности предложенного способа на основе интегрального экономического показателя K составит:
Оценка коэффициента эффективности предложенного способа на основе интегрального технического показателя представлена в таблице.
iet
Коэффициент технико-экономической эффективности K, найденный как корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов на основе интегральных экономического и технического показателей составит 18,1.
Таким образом, предложенный способ определяет геодинамическое состояние недр разрабатываемых месторождений нефти и газа с высокой технико-экономической эффективностью, при этом существенно снижаются затраты и повышается точность при геодинамическом районировании, обнаружении и трассировании тектонических нарушений в верхней части земной коры, выявлении опасных геодинамических процессов, а также при выборе рационального режима эксплуатации разрабатываемых месторождений углеводородов.