ГЕОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ НА МОРСКОМ ШЕЛЬФЕ
GEO-CHEMICAL PROCEDURE FOR PROSPECTING OIL DEPOSITS ON SEA BOTTOM

Способ относится к геохимическим методам исследований и может быть использован для выявления месторождений нефти на морском шельфе.
В настоящее время проблема создания высокоэффективного метода поиска месторождений нефти на морском шельфе приобретает во всем мире все большую остроту. Это связано с ограниченностью разведанных запасов нефти на суше, которых по оценкам специалистов должно хватить только на ближайшие 20-30 лет. В то же время считается, что залежи нефти под морским дном обладают гораздо большими мощностями. Это подтверждается растущей долей нефти, добываемой на морском шельфе, в общем объеме мировой добычи (приблизительно 1/3 в данное время). В настоящее время на шельфе Мирового океана (в основном за рубежом) открыто более 1700 месторождений нефти, запасы которых оцениваются в 55 млрд. тонн. Россия также обладает большими потенциальными запасами нефти на шельфе северных морей, вопросы разработки которых тесно связаны с точностью геохимической разведки их месторождений. От качества и эффективности поиска залежей нефти на морском шельфе во многом зависит общая экономическая эффективность ее добычи, так как сегодня стоимость бурения только одной пробной скважины на морском дне составляет 1-5 млрд. рублей. В связи с этим вопрос разработки быстрого и высокоточного метода обнаружения залежей нефти вблизи дна морского шельфа становится высокоактуальным.
Известно, что наличие залежей нефти на шельфе обычно характеризуется просачиванием в придонные слои воды нефтяных углеводородов и газов. Однако наличие газовыделений характерно и для залежей газа, а нефтяные углеводороды, вследствие низкой скорости диффузии в морской воде, практически почти полным отсутствием растворимости в ней и быстрой деградацией из-за процессов химического и биохимического взаимодействия с компонентами морской воды, сильно локализованы вблизи мест просачивания нефти на поверхность морского дна.
Известны различные прямые и косвенные геохимические способы выявления месторождений нефти и газа (Геохимические методы поисков нефтяных и газовых месторождений. Бараташевич О.В. и др. - М.: Недра, 1980), главными из которых являются 5 основных методов:
1) газогеохимический;
2) гидрогеохимический;
3) биогеохимический (геомикробиологический и фитогеохимический);
4) литогеохимический;
5) битуминологический.
Гидрогеохимический метод включает в себя pH и Eh - метрию, исследование солевого состава и пр.
При геохимическом зондировании на региональной и прогнозо-рекогносцировочной стадиях поиска нефти и газа в гидросфере осуществляются следующие виды съемок:
а) съемка по поверхностным водам;
б) исследования (съемки) газогеохимические, биогеохимические, гидрогеохимические, гидрогазобиохимические, pH и Eh - метрия, элементометрия;
в) съемки по подземным водам - скважины различного назначения;
г) съемки по снежному покрову и пр.
Широко применяются газобиохимические съемки по поверхностным (водоисточники) и подземным водам, вскрываемым в скважинах (Методы обработки и интерпретации результатов гидрогеологических исследований в нефтегазопоисковых целях. Суббота М.И. и др. - М.: Недра, 1980). Поверхностные гидрогазобиохимические съемки способствовали (с использованием имеющихся на местности водоисточников - родников, колодцев и пр.) открытию ряда месторождений нефти и газа, в частности, на территории Северного Устюга, Южного Мангышлака и полуострова Бузачи.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является геохимический способ выявления неоднородностей по патенту РФ №2226282. Этот способ выбран в качестве прототипа. Известный способ относится к геохимическим методам исследований и может быть использован для выявления месторождений полезных ископаемых, а также тектонических, антропогенных и других структурно-вещественных неоднородностей геосферы. Из надповерхностного слоя атмосферы собирают путем прокачивания свободного воздуха через пробоотборник содержащиеся в нем поступающие из области неоднородности, мигрирующие в направлении дневной поверхности, и поступающие в воздух подвижные частицы, наличие которых связано с этой неоднородностью или обусловлено ее существованием. Для анализа отбирают частицы размером не более 0,05 мкм. Наиболее удобно собирать частицы на графитовую кювету, которую можно помещать в электротермический атомизатор многоэлементного атомно-абсорбционного спектрофотометра. Определяют содержания элементов, сопутствующих искомой неоднородности, и по обнаруженному изменению содержаний элементов устанавливают наличие, природу и параметры неоднородности.
Недостатки известного способа:
1. Недостаточная точность, поскольку при проведении анализа по пробам воздуха надо учитывать розу ветров.
2. Неоднозначность в определении источника месторождений, поскольку, например, наличие метана или этана может свидетельствовать о месторождениях как нефти, так и газа.
3. Невозможность определения источников месторождений на больших удалениях от эпицентра.
Целью данного изобретения является повышение точности и надежности способа поиска нефтяных месторождений на морском шельфе.
Для достижения поставленной цели предлагается в геохимическом способе обнаружения залежей нефти на морском шельфе, включающем отбор проб, анализ накопленного материала и установление района наличия залежей нефти по обнаруженному изменению содержаний определяемых элементов в накопленном материале, проводить отбор проб морской воды, а не воздуха. В качестве определяемых элементов в накопленном материале использовать концентрации примесей металлов, характеристичных для нефтяных месторождений, а именно ванадия и никеля, причем признаком проявления нефтяного месторождения считать не менее чем 3-х кратное превышение фоновых содержаний ванадия и никеля в морской воде.
Дополнительными отличиями предлагаемого способа является то, что:
- при анализе накопленного материала проводится синхронное определение концентрации ванадия и никеля в морской воде,
- определение концентрации ванадия и никеля в морской воде выполняется по методике атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой,
- определение концентрации ванадия и никеля в морской воде выполняется по аналитическим линиям с длинами волн 292,401 нм и 231,604 нм, соответственно.
Во всех известных крупных месторождениях, как на территории нашей страны, так и на территориях других стран (Гавар, Сафания-Хафджи и Манифа в Саудовской Аравии, Бурган в Кувейте, Чиконтенек в Мексике и др.) (Чэмпмэн Э.Л. Геология и воды. Л.: Недра, 1983. - 380 с.), в составе нефтей были обнаружены примеси большого количества металлов, среди которых такие не типичные для морской воды, как ванадий и никель в количестве: V - от 0,00001 до 0,01-0,1 мас.%, Ni - от 0,0001 до 0,001-0,01 мас.%.
Для сравнения отметим, что среднее содержание этих элементов в глубинных, чистых водах Мирового океана составляет для V - всего 2,5 мкг/л или 0,00000025%, для Ni - 1,7 мкг/л или 0,00000017% (Герлах С.А. Загрязнение морей: Диагноз и терапия. 1985. - 263 с.).
Как видно из этих данных, несмотря на безусловное некоторое разбавление примесей при переходе из нефти в морскую воду, содержание ванадия в местах проявления нефтяных залежей на шельфе может превышать средний фон океана по этому элементу в 400-40000 раз, а по никелю, соответственно - в 600-6000 раз. Это обстоятельство можно использовать для поиска залежей нефти на Российском шельфе северных морей, особенно в сравнительно пока еще чистых морях - Чукотском, Беринговым и море Лаптевых, где фоновые концентрации V и Ni примерно на порядок меньше, чем средние значения по Мировому океану (V.Porta, O.Abollino, E.Mentasti and C.Sarzanini. Determination of ultra trace levels of metal ions in sea-water with on-line preconcentration and ETAAS. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1991. V.6. p.119), то есть условия для поиска предложенным методом являются еще более благоприятными.
Известно, что крупные месторождения нефти располагаются обычно вблизи морского дна и, как правило, характеризуются просачиванием нефтяных углеводородов и газа в придонные слои морской воды (поэтому, в принципе, чем ближе к поверхности морского дна ведется отбор проб воды для анализа, тем точнее по месту залегания может быть определено месторождение). Важно обосновать, однако, такой аналитический критерий анализа придонной воды морского шельфа, который, с одной стороны, позволил бы точно определять местонахождение нефтеносной залежи, то есть отличался бы высокой чувствительностью, а с другой стороны, - гарантировал бы надежное отличие залежей нефти от залежей газа (если, например, в качестве такого критерия выбрать содержание в воде легких углеводородных газов - метана, этана и др., то легко можно спутать месторождения нефти и газа, так как эти сопутствующие примеси присущи как нефти, так и газу.
В качестве такого критерия предлагается комплексный аналитический критерий - синхронное во времени (при непрерывном или периодическом пробоотборе воды при движении судна) параллельное превышение фоновых концентраций V и Ni в придонной морской воде в 3-10 и более раз.
2
Трехкратное и более превышение фоновых концентраций обеспечивает надежность анализа. Тот факт, что ведется анализ на V и Ni, содержания которых в морской воде очень низки, а в любой нефти содержание этих сопутствующих примесей достаточно велико по сравнению с фоном, обеспечивает высокую точность определения места выхода на поверхность дна шельфа просачивающихся на поверхность нефтяных углеводородов и гарантирует обнаружение этих мест на очень больших расстояниях от их эпицентра, так как примеси ванадия и никеля, в отличие от нефтяных углеводородов, прекрасно растворяются в морской воде и обладают высокими коэффициентами диффузии (порядка 1-10 см/с по данным работы (Кочергина В.П. и Тимченко И.Е. Мониторинг гидрофизических полей океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 280 с.).
Рассмотрим общую вероятностную модель поступления характеристичных для нефти примесей металлов (ионов металлов) в морскую воду. Этой моделью можно будет воспользоваться для практических расчетов, с целью ускорения нахождения места просачивания нефти в придонные морские воды при обнаружении 3-х кратного и более превышения концентраций примесей характеристичных металлов над их фоновыми концентрациями.
Ясно, что распределение характеристичных для нефти примесей металлов (V и Ni) от их источника, расположенного на морском дне, будет определяться достаточно большим набором факторов:
1) мощностью и размерами источника;
2) функцией переноса: конвективная (турбулентная или ламинарная) диффузия. Данная функция определяется коэффициентами диффузии и пространственным полем скоростей морских течений;
3) функцией потери, которая приводит к выравниванию от максимальной избыточной концентрации в точке истока к среднему (фоновому) значению на границе распространения примеси. Данная функция определяется различными химическими, физическими и биохимическими процессами, которые могут происходить при распространении примеси в пространстве от точечного источника (например, перевод примеси в нерастворимую форму с последующим осаждением на морское дно).
В общем виде решение задачи о пространственном поле концентрацией С=С(Х, Y, Н) можно представить следующим образом:
где W - мощность источника, масса примеси металла за единицу времени: W=m/t, erf (z) - интеграл ошибок Гаусса,
z=f(X, Y, H, D, К), D - коэффициент диффузии (ламинарной или турбулентной) и K - константа некоторого процесса функции потери:
Определение пространственного поля концентраций, с учетом всех факторов и параметров, их определяющих, является весьма сложной и трудоемкой задачей, требующей применения численных методов решения (разработка алгоритма и специальной компьютерной программы, теоретическое или экспериментальное определение всех необходимых констант и параметров и т.д.).
Первые два фактора определяют поступление примеси в пространство (Фиг.1). Функция потери необходима для соблюдения условия стационарности распределения примеси в пространстве, т.е. определяет границы области загрязнения при постоянном поступлении примеси от источника. На Фиг.1 изображена кривая формирования поля концентраций примеси характеристического металла в морской среде.
В связи с этим, при моделировании можно использовать определенные допущения и упрощения:
1) имеется стационарный исток (условно - точечный) примеси металла в полуограниченное пространство окружающей среды (акватории) с постоянной мощностью поступления характеристического компонента, источник которого расположен на морском дне (место просачивания нефти), где отсутствуют значительные ламинарные или турбулентные потоки;
2) перенос этой характеристичной примеси определяется диффузией;
3) коэффициент диффузии не зависит от направления диффузионного потока, т.е. перенос примеси является равномерным по всем направлениям;
4) характеристичная примесь находится в единственной форме, функция потери определяется единственным процессом (как некоторый химический процесс).
Для стационарного, постоянного во времени, облака загрязнения примесью металла от точечного источника должно выполняться условие равенства диффузионного переноса и процесса потери, поэтому плотность диффузионного потока через некоторую поверхность S определяется скоростью процесса потери компонента, ν:
где скорость процесса определяется как:
ф
где: С - фоновое содержание примеси металла в морской воде (R=∞);
V - объем полусферы:
S - поверхность полусферы:
q - диффузионный поток:
После подстановки выражений (1.5)-(1.7) в уравнение (1.4) получим:
После раздельного интегрирования правой и левой части уравнения (1.8) для функции пространственного распределения концентрации характеристического компонента от точечного источника можно записать следующее выражение:
мах
где: С - максимальная концентрация примеси металла вблизи источника загрязнения (R=0), которая определяется мощностью источника.
На Фиг.2. изображена зависимость относительной концентрации характеристической примеси металла от расстояния от точечного источника.
Выражение (1.9) описывает пространственную функцию концентраций как некоторый закон распределения (см. Фиг.2), который соответствует уравнению для определения концентрационного поля, представленному в общем виде (1.1) (Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Часть 1, М.: Наука, 1967. - 640 с.):
П
где К - коэффициент переноса характеристической примеси металла (коэффициент турбулентной диффузии).
В случае равномерного распределения облако характеристической примеси (V, Ni) будет представлять собой полусферу с центром в точке истока. При этом распределение концентрации характеристической примеси металла в придонном слое будет характеризоваться объемным Гауссовским колоколом (Фиг.3).
ф
На Фиг.3 изображена область загрязнения (С=3С) морской среды характеристической примесью металла от точечного источника при равномерном распределении.
В случае неравномерного распределения характеристической примеси, например, в присутствии устойчивых ламинарных потоков вблизи морского дна, вместо выражения (1.10) необходимо использовать другие соотношения.
о
Так, например, для расчета концентрации примеси металла в случае точечного источника, расположенного на глубине Н, постоянной мощности W, турбулентной диффузии при однонаправленном ламинарном потоке по оси ОХ с постоянной скоростью, можно применить следующее выражение:
Выражение (1.11) описывает струю примеси, имеющую форму эллиптического параболоида, вытянутого вдоль оси ОХ. Распределение концентрации характеристической примеси при некотором постоянном значении Н, например, в придонном слое, в этом случае представлено графически на Фиг.4.
-1
Выражение (1.11) показывает, что в направлении ламинарного потока концентрация примеси характеристического металла убывает пропорционально Х, а перпендикулярно оси потока экспоненциально. Анализ порядков величин в выражении (1.11) позволяет сделать выводы о границах облака загрязнения характеристической примеси и тем самым определить максимально целесообразные границы действия поисковой системы (ширину и глубину поисковой зоны) при обнаружении значимых превышений концентраций примесей V и Ni над фоновыми.
На Фиг.4 изображено распределение относительной концентрации характеристической примеси металла в придонном слое морской воды в случае направленного по оси ОХ постоянного ламинарного потока.
Анализ порядков величин в приведенном выражении позволяет сделать выводы о границах облака загрязнения характеристической примесью металла. Так, например, при 1000 кратном превышении концентрации примеси над фоном в точке истока в придонном слое, границе в направлении потока соответствует расстояние от истока ~ от 10 км до 50 км, а в перпендикулярном потоку направлении - ~ от 1 км до 5 км. Точные значения зависят от мощности и размеров источника, скорости потока, коэффициентов переноса и их зависимости от координаты (расстояния от источника), т.д. На практике, при исследовании придонных шельфовых вод эти параметры могут быть уточнены экспериментально.
Важно отметить, что синхронное повышение в морской воде содержаний и V, и Ni одновременно может быть связано только с наличием нефтяной залежи и является гарантией от того, что не будет ошибки из-за залежей газа. Фоновые концентрации V и Ni в чистой морской воде, как указывалось выше, чрезвычайно низки.
Превышения содержания примесей V и Ni в морской воде могут быть определены с максимальной чувствительностью и точностью с помощью разработанной методики ИСП-АЭС. Синхронное увеличение содержания примесей никеля и ванадия в морской воде может являться однозначным доказательством просачивания нефтяных углеводородов со дна в морскую воду и служить основанием для начала пробного бурения в этом районе.
Возможным вариантом для судового размещения комплекса поискового оборудования может быть сочетание атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой с проточно-инжекционной приставкой непрерывного пробоотбора типа FIAS-400 (в совокупности со всеми другими необходимыми приборами и датчиками). Такая схема аналитического контроля содержания примесей металлов в морской воде позволит в автоматическом, проточном режиме одновременно определять никель, ванадий и (при необходимости) другие сопутствующие нефтяным месторождениям примеси металлов в морской воде (Method 200.7. Determination of Metals and Trace Elements in Water and Wastes by Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry. Revision 4.4. EMMC Version. EPA. Methods for the Determination of Metals in Environmental Samples. Supplememt I. May 1994.
Method 200.15. Determination of Metals and Trace Elements in Water by Ultrasonic Nebulization Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry. Revision 1.2. EMMC Version. EPA. Methods for the Determination of Metals in Environmental Samples. Supplement I. May 1994).
Дополнительно, один или два канала спектрометра можно использовать для определения элементов, постоянно присутствующих в морской воде, но не являющихся сопутствующими нефтяным месторождениям, например, магния и (или) калия для реализации принципа внутреннего стандарта, что повышает правильность определения координат места залежи нефти.
После обнаружения по вышеуказанному критерию залежей нефти на шельфе для подтверждения положительных результатов в местах наибольшего превышения содержаний никеля и ванадия над фоном могут быть отобраны дискретные пробы для проведения обычного анализа на присутствие нефтяных углеводородов (методами инфракрасной спектроскопии, газо-жидкостной хроматографии, люминесценции и др.).
В связи с тем, что получаемая при поиске нефти информация о содержании примесей никеля и ванадия в морской воде будет представлять из себя 2 эквидистантных (равноотстоящих) параллельных временных ряда, для их статистической компьютерной обработки (выполняемой непосредственно на борту судна в режиме реального времени), с целью выявления аномалий по содержанию определяемых элементов, должны применяться методы дисперсионного анализа, например, критерий знаков или метод кумулятивных карт.
Исходя из вышесказанного, технико-экономический эффект предлагаемого способа заключается в следующем:
1. Поскольку анализ производится не воздуха, а воды, следовательно, результаты более точные (отсутствует роза ветров).
2. Анализ ведется по V и Ni, что обеспечивает однозначность определения именно залежей нефти (например, метан, этан присущ как нефти, так и газу).
3. Появляется возможность определения залежей на больших удалениях от эпицентра.
4. Поиск ведется в направлении увеличения V и Ni (в направлении эпицентра).
5. Трехкратное и более превышение V и Ni по сравнению с фоном обеспечивает надежность метода и высокую точность определения места выхода на поверхность дна шельфа просачивающихся нефтяных углеводородов.
6. Возможно судовое размещение приборов и оборудования АЭС-ИСП с проточно-инжекторной приставкой непрерывного пробоотбора типа FIAS-400.
7. Дополнительно 1 или 2 канала спектрометра можно использовать для определения элементов, постоянно присутствующих в морской воде, но не являющихся сопутствующими нефтяным месторождениям (магний, калий) для реализации принципа внутреннего стандарта, что повышает правильность определения координат места залежи нефти.