Виброгеодинамическая причина цикличности динамики пластовых давлений в простаивающих скважинах

ВИБРОГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ ПРИЧИНА ЦИКЛИЧНОСТИ ДИНАМИКИ ПЛАСТОВЫХ ДАВЛЕНИЙ В ПРОСТАИВАЮЩИХ СКВАЖИНАХ

В.Н. Чельцов, М.И. Микляев, Т.В. Чельцова, А.Д. Люгай

Цикличность изменения пластовых давлений в простаивающих газовых скважинах, а также пьезометрах разрабатываемых и не введенных в разработку залежей обусловлена чередованием во времени сжатий и разуплотнений геосреды в целом и, в том числе, заключенных в ней коллекторов. Это происходит под воздействием на земную кору закономерных сил циклического виброгеоди-намического генезиса. С этих позиций впервые и принципиально по-новому циклический характер указанной динамики давлений был показан на примере двух специально выбранных скважин Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) [1].

Эти скважины в значительной степени различались по эффективной газонасыщенной толщине пласта, давления в них изменялись синхронно, но с разной амплитудой. Анализ изменчивости давлений в этих скважинах позволил выявить две цикличности с периодами 3 года и 18 лет [1]. Различия в амплитуде колебаний давлений ранее объяснялись характером внедрения пластовой воды в газовую часть залежи. Газовая залежь АГКМ массивная, заключена в карбонатном низкопроницаемом, неоднородном порово-трещинном коллекторе с газоводяным контактом по всей площади. Происходящие внутри залежи процессы массопереноса пластовых флюидов подчиняются масштабной гидродинамике Астраханского свода в целом, находящегося в жесткой энергоструктуре земной коры в пределах Каспийского региона, который традиционно известен своими систематическими колебательными движениями [1]. Поэтому и движение пластовой воды обусловлено воздействием общепланетарных виброгеодинамических процессов на водоносную систему залежи.

С целью детализации и более представительного изучения этих виброгеодинамических явлений ниже представлены результаты анализа динамики пластовых давлений еще по 13 скважинам АГКМ. Получено подтверждение ранее выявленных закономерностей указанной динамики [1, 2]. Вместе с тем обнаружена и некоторая дополнительная особенность. Она заключается в несинхронности колебательных изменений давлений по группам скважин.

На АГКМ в связи с сокращением добычи газа с 1989 г. появилась возможность наблюдать за динамикой пластовых давлений по большому числу скважин, простаивающих длительное время. Анализировались данные по 48 скважинам. Для целей настоящей работы из этого числа было отобрано 15 скважин с периодом измерения давлений (Т) не менее трех лет, т.е. не меньше периода «малой» цикличности, равного трем годам, и с количеством измерений давлений (п) не менее пяти. Общие сведения об измерении пластовых давлений по рассматриваемым скважинам и их удельные поровые объемы (у) приведены в табл. 1.

Таблица 1

Общие сведения об измерении пластовых давлений

№ скв. Период измерения давлений Т, годы Количество циклов, к Удельный поровый объем V, м3/м2 Количество измерений, п Плотность измерений а, изм./год

1 2 3 4 5 6

1* 17,44 4,5 7,68 24 1,376

2* 20,24 5,5 0,42 22 1,087

3 11,82 3,5 0,86 17 1,438

4** 17,57 4 - 18 1,024

5 9,82 2,5 1,37 13 1,324

6 17,40 4 4,32 13 0,747

7 5,95 1 18,89 8 1,345

8 4,14 1 8,72 7 1,691

9 3,10 1 11,54 7 2,258

10 9,27 2 10,26 8 0,863

11 7,32 2 9,43 7 0,956

12 9,10 1 7,83 7 0,769

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6

13 10,78 1 4,84 6 0,557

14 4,14 1 7,58 5 1,208

15 5,39 1,5 10,33 5 0,928

Среднее 10,23 2,4 7,43 11,13 1,088

Примечания:

№ скв. - здесь и далее по тексту условные номера скважин.

* Скв. 1 и скв. 2 соответствуют скв. 1б и скв. 1а в работе [1].

** Пьезометрическая скважина.

Как видно из табл. 1, наиболее надежные данные имеются по первым шести скважинам с количеством циклов к более 2,5 и с плотностью измерений а давлений примерно 1 изм./год.

По каждой из выбранных скважин строились графические зависимости измеренных пластовых давлений Р , осредненных давлений Рср1 и пластовых давлений в стандартизированном (безразмер-Р - ра

ном) виде (А^) = . ' ср' , где п - число измерений давлений) от времени I .

/д Р - Рф )2

V п

По всем рассмотренным скважинам отмечалось циклическое изменение во времени значений пластовых давлений, для примера представленное на рис. 1 по скв. 4.

Как видно из рис. 1, за период простоя скважины с октября 1992 г. по май 2010 г. в динамике пластовых давлений прошло четыре цикла. В среднем периоды циклов составили 4,26 года, что практически совпало с известным циклом сейсмических событий 4 года. Расчетные периоды циклов возрастали от 4,15 года в 1993-1997 гг. до 4,44 года в 2001-2005 гг. и далее снизились до 4,25 года в 2004-2008 гг. Амплитуда колебаний значений измеренных давлений относительно их средней величины составила в среднем ±1,51 МПа.

Среднерасчетные периоды цикличности т динамики пластовых давлений, временной диапазон d их изменений, амплитуды 8 и привязка по времени экстремальных значений давлений по рассматриваемым скважинам приведены в табл. 2.

На рис. 1 представлена согласованность изменений параметров отдаленных друг от друга геологических образований: пластовой системы АГКМ и Воронежского кристаллического массива. Так, на протяжении 1998-2005 гг. суммарная годовая энергия сейсмособытий Воронежского кристаллического массива имеет два максимума - в 2000 и 2004 гг., которые синхронно отразились в геосреде пластовой системы АГКМ в виде двух максимумов пластового давления, зафиксированных в скв. 4. Близкие изменения в текущем сейсмологическом состоянии породных массивов удалось установить как существенно западнее АГКМ (в пределах Карпат), так и намного восточнее - в пределах Казахстана и Дальнего Востока.

Эта сумма фактов свидетельствует о том, что впервые выделенные в пределах Астраханского ГКМ особенности виброгеодинамики могут иметь универсальный характер и повсеместное проявление. Так же как и ранее [1], следует подчеркнуть, что изученные колебания пластовых давлений связаны с внешними, гораздо более крупными событиями, вероятно, планетарного происхождения. Совершенно не исключено, что они сопровождались мощной активизацией глубинного газообмена не только в осадочной толще, но и ниже нее. Данное предположение, подтверждаемое фактическими материалами, позволяет допустить на новых основаниях существование вертикальной «газоподпит-ки» ряда месторождений, в том числе и Астраханского ГКМ.

В ходе анализа данных табл. 2 выявлены следующие особенности цикличности динамики пластовых давлений в простаивающих скважинах АГКМ:

1. Вышеупомянутая цикличность четко выражена во всех изученных 15 скважинах, диапазон величин среднерасчетных периодов цикличности - от 3,06 до 4,28 года (в среднем 3,7 года). В первых шести скважинах с наиболее показательными характеристиками цикличности (с максимально продолжительным периодом наблюдения) величины среднерасчетных периодов изменяются от 3,26 до 4,28 года (в среднем 3,86 года).

Годы

Рис. 1. Циклическая динамика пластовых давлений в абсолютном

Таблица 2

Параметры цикличности динамики пластовых давлений по простаивающим скважинам АГКМ

№ скв. Среднерасчетный период цикличности Т, годы Временной диапазон изменения периодов Л, годы Амплитуда изменения давлений 5, МПа Время* проявления экстремальных значений пластового давления, годы

максимальных минимальных

1 3,73 3,4-4,7 1,51 11,1; 14,8; 19,5; 22,4; 26,2 13,2; 17,0; 21,2; 24,2; 27,9

2 3,41 2,6-4,2 2,56 9,1; 12,2; 16,0; 20,1; 22,6; 26,2 10,8; 14,2; 17,0; 21,3; 24,1; 27,8

3 3,26 3,0—3,8 1,81 17,9; 21,8; 24,5; 27,7 19,7; 23,0; 26,2; 29,4

4 4,26 3,8-5,0 1,52 11,8; 15,3; 19,7; 25,2; 28,6 13,9; 17,9; 22,7; 26,7

5 4,24 3,8-4,6 1,18 19,5; 24,2; 28,1 21,6;26,2;30,0

6 4,28 4,1-5,0 2,15 7,6; 11,8; 16,1; 20,3; 24,4 9,8; 14,1; 18,3; 22,4; 26,9

7 3,24 - 2,28 17,4 15,8; 19,1

8 3,06 - 1,26 18,0; 21,1 19,5

9 3,10 - 0,83 17,0; 20,1 18,5

10 4,10 3,9-4,3 1,75 8,5; 12,4; 16,7 10,6; 14,5

11 4,20 - 1,77 13,9; 18,1 11,8; 16,0; 20,2

12 4,20 - 2,64 13,2 11,1

13 3,35 - 1,23 17,7 16,0; 19,3

14 3,74 - 1,52 19,1 17,4; 21,0

15 3,38 - 2,64 14,6; 18,0 16,6; 19,9

Среднее 3,70 3,5-4,5 1,78

Примечание.

* Время дано от конца 1980 г. (например, если дата 12.05.1993, то значение времени равно 12,37).

2. По первым шести скважинам с количеством прошедших циклов от 2,5 до 5,5 продолжительность периодов циклов колеблется во времени - отклонения от среднего составляют от ±0,4 (скв. 3 и 5) до ±0,8 года (скв. 2) и в среднем - ±0,55 года. Эти колебания кроме возможных естественных причин могут быть обусловлены тем, что измерения давлений во времени проводились произвольно, а не целенаправленно для установления экстремальных значений давлений (максимальных и минимальных), а также погрешностью их измерений. С 2000 г. измерения давлений проводились приборами с очень высокой точностью. Однако пределы колебаний периодов цикличности не сократились. Среднерасчетные значения периодов цикличности по вышеуказанным шести скважинам во времени изменялись незначительно - в начале возрастали от 3,76 до 3,95 года (на 5 %) в 1996-2002 гг., а затем снижались до 3,73 года (на 5,3%) к 2008 г.

3. Амплитуды колебаний давлений относительно их средних значений изменяются от ±0,83 МПа (скв. 9) до ±2,64 МПа (скв. 12 и 15) и в среднем составляют ±1,78 МПа. По первым шести скважинам эти значения, соответственно, составляют от ±1,18 МПа (скв. 6) до ±2,56 МПа (скв. 2) и в среднем ±1,788 МПа. В работе [1] показано, что величина амплитуды зависит от удельного газонасыщенного объема скважины (объема по разрезу скважины в пределах площади 1 м2) - чем меньше указанный объем, тем больше амплитуда колебаний давлений. Эта тенденция наблюдается и в рассматриваемых скважинах. Так, по средней зависимости, построенной по данным скв. 1, 2, 3, 5 и 6, амплитуда колебаний давлений составит ±2,1 МПа при удельном газонасыщенном объеме скважины 1 м3 и ±1,4 МПа при объеме 8 м3.

4. Анализ распределения экстремальных значений давлений во времени показал, что рассматриваемые 15 скважин разделяются на две группы (семь и восемь скважин), по которым циклическое изменение давлений находится в «противофазе», т.е. когда по одной группе скважин наблюдаются максимальные давления, то по другой - минимальные. К первой группе относятся скв. 3, 7, 8, 11, 12, 13, 15, ко второй - скв. 1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 14. Анализ распределения этих групп скважин по площади месторождения относительно разломов и блоков залежи не дает четкого представления о причинах данного явления. Есть предположение, что скважины указанных групп чередуются между собой в северо-восточном направлении в соответствии с динамическим воздействием на Астраханский массив со стороны кряжа Карпинского. Для подтверждения или опровержения данного предположения необходимы дополнительные исследования.

5. Анализ распределения скважин по площади залежи показал, что продолжительность периодов циклов динамики пластовых давлений зависит от местоположения скважин относительно разломов северо-западного простирания, выявленных по степени обводнения продукции скважин [1]. Схематично изменение продолжительности периодов цикличности изменения давлений в скважинах по площади залежи относительно разломов показано на рис. 2.

Усматривается геологическая причинность в различиях продолжительности периодов циклов. Согласно рис. 2, наименьшие периоды цикличности давлений имеют скважины, расположенные в непосредственной близости от разломов, наибольшие - в центральных частях блоков. Так, в скв. 4, 5, 6, 10, 11 и 12, максимально отстоящих от разломов в среднем на 2,1 км (1,4—3,1 км), продолжительность циклов в среднем составляет 4,21 года (4,1—4,28 года). По остальным девяти скважинам расстояния до разломов минимальные — в среднем 0,6 км (0,05—0,9 км), а периоды циклов — от 3,06 года (скв. 8) до 3,74 года (скв. 14) и в среднем составляют 3,36 года, т.е. на 0,85 года меньше, чем в середине блоков. Причина такого расхождения пока не ясна. Вероятно, внутриблоковые участки оказываются более «инертными» по реагированию на виброгеоизменения в пластовой системе залежи с различной цикличностью. Так, из наблюдений по воздействию на земную кору внешних сил известны цикличности с периодами примерно 1 год и примерно 2,5 года. Возможно, давления в скважинах, расположенных вблизи разломов, в большей степени зависят от вышеуказанных цикличностей, чем в середине блоков.

Приведенные в данной статье результаты анализа цикличной динамики пластовых давлений по предварительным данным подтверждаются и синхронной цикличностью изменения величин пластовых температур со средним периодом 4,23 года в семи простаивающих скважинах АГКМ.

Вышесказанное хорошо согласуется с действием так называемой главной деформационной волны в земной коре с периодом около 4 лет (выделяемой геодинамическими и сейсмологическими исследованиями ИФЗ РАН). В обширном обобщении о взаимосвязи природных и техногенных циклических процессов (в том числе и связанных с добычей УВ) Н.А. Касьянова также указывает на близкий периодический интервал в 3—5 лет, который наблюдается в изученных ею разномасштабных явлениях в геосреде.

Представленные в настоящей статье результаты изучения циклического характера проявления геодинамики на нефтегазовых месторождениях показывают необходимость продолжения данных

исследований также и на других объектах недропользования с привлечением расширенного комплекса геолого-геофизических исследований — как для уточнения геологического строения резервуаров, так и для мониторинга процессов разработки [4, 5].

Учитывая циклический характер проявления геодинамики продуктивных пластов, можно более эффективно проводить необходимые мероприятия по цементированию скважин, гидроразрыву пластов, повышению эффективности извлечения УВ-флюидов. Например, в области цементирования могут быть сформулированы новые виброгеодинамические обоснования для активного сочетания традиционного цементирования со специальным тампонированием скважин. Это позволит вести более результативную борьбу с проявлением заколонных давлений. Проводя гидроразрывы пласта на «вдохе» геосреды, получим тонко разветвленную дренажную систему. Учет влияния виброгеодинамики также важен для разработки более эффективных волновых технологий доизвлечения сырья [3] и улучшения экологии недропользования.

На основе цикличности изменения параметров разработки по-новому представляются особенности геологического строения месторождений — вертикальные зоны разуплотнения пород. Их выявление и детализация имеют практическое значение, особенно для газовых месторождений с «агрессивным» сырьем, как на Астраханском ГКМ. Безамплитудные вертикальные неоднородности геосреды не картируются традиционными методами сейсморазведки, которые по своим технологическим особенностям хорошо показывают слоистость толщ, но «заглаживают» вертикально ориентированные детали геологического строения.

В отличие от традиционной сейсморазведки, пассивная сейсмометрия предназначена для изучения именно вертикальной внутренней структуры породных массивов. Даже опытное «рекогносцировочное» применение пассивной сейсмометрии (в модификации микросейсмического зондирования) дало новое представление о геологии АГКМ [5].

Таким образом, закономерная виброгеодинамическая цикличность геосреды представляет собой естественную природную реальность. Она органически присуща любому объекту недропользования. Это определяет практическое значение полученных результатов — в том числе и в качестве дополнительного обоснования для расширения комплекса геолого-геофизических исследований. Сочетание базовой сейсмометрии с ее пассивными модификациями позволит получить необходимую информацию для совершенствования технологий разработки месторождений УВ — с учетом полноценного отображения горизонтальных и вертикальных неоднородностей коллекторов, покрышек и надпродуктивных толщ.

Список литературы

1. Чельцов В.Н. Модель обводнения залежи и продукции скважин в карбонатных низкопроницаемых коллекторах / В.Н. Чельцов, М.И. Микляев, Т.В. Чельцова // Геология нефти и газа. — 2009. — № 3. — С. 37—64.

2. Чельцов В.Н. Особенности динамики обводнения продукции скважин в карбонатных низкопроницаемых коллекторах / В.Н. Чельцов, Т.В. Чельцова // Геология нефти и газа. — 2009. — № 5. — С. 38—43.

3. Гужов Н.А. Комплексное применение волновых технологий (доизвлечение УВ, повышение результативности других методов воздействий, тектонофизическое зондирование и динамическая до-разведка скрытых вертикальных геонеоднородностей) / Н.А. Гужов, М.И. Микляев, Р.Ю. Юнусов // Материалы Отраслевого семинара «Волновые методы воздействия на пласт и призабойную зону газоконденсатных и нефтяных скважин». Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта. 28 февраля — 3 марта 2011 г. — Ухта, 2011. — С. 16—18.

4. Карнаухов С.М. Новые технологии прогнозирования, поисков и разведки месторождений нефти и газа / С.М. Карнаухов // Проблемы ресурсного обеспечения газодобывающих районов России до 2030 г. — М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. — С. 118—119.

5. Горбатиков А.В. Новая технология микросейсмического зондирования для изучения строения месторождений нефти и газа / А.В. Горбатиков, М.Ю. Степанова, А.А. Цуканов, О.В. Тинакин, А.Ю. Комаров, С.Л. Одинцов, А.К. Токман // Нефтяное хозяйство. — 2010. — № 6. — С. 15—17.