Автореферат: Контроль пластовых потерь и герметичности подземных хранилищ газа на основе геофизических методов и геолого-технологического моделирования

В диссертационной работе приведены результаты использования предложенной автором методики на примере Краснодарского ПХГ (сезон закачки газа 2008 г.), на основе которых установлено следующее (таблица 1). На начальные периоды закачки прирост газонасыщенного порового объема, расчитанный по учетным данным на основе гидродинамической модели, на 9% меньше чем определяемый по геофизическим данным. Это связано с опережающим продвижением языков газа (в том числе в зоны, контролируемые скважинами) и более сложной формой поверхности контакта, чем принимается по аппроксимированному контуру ГВК (обводненных зон в пределах ГВК больше чем учтено в объемном методе по результатам ГИС).

Рисунок 1. Карты поверхности ГВК на апрель, июнь, октябрь 2008 г.

наземный геофизический пластовый газ

Рисунок 2. Положение ГВК на апрель, июнь и октябрь 2008 г. в трехмерной проекции

Таблица 1. Краснодарское ПХГ. Динамика прироста ГПО по геофизическим данным и по гидродинамическому моделированию на основе балансового учета

На период окончания закачки наблюдается противоположная картина: Рассчитанный на основе гидродинамической модели по учетным данным газонасыщенный поровый объем на 11 % больше, чем определяемый по результатам моделирования на основе геофизических данных. То есть часть газа находится за пределами принимаемого по скважинным данным контура ГВК.

То обстоятельство, что расчетная по учетным данным и смоделированная по результатам геофизических наблюдений динамика ГПО меняет знак и практически совпадает, и не проявляется выраженная тенденция к снижению максимальных давлений из года в год на тот же объем газа в пласте, позволяет сделать вывод об отсутствии потерь газа.

Кроме того, возможно сделать следующие важные выводы по полноте контроля за работой хранилища:

- вывод об адекватности системы наблюдений и достаточности объёмов геофизических исследований, проводимых в рамках регламентных работ с целью контроля эксплуатации ПХГ;

- вывод об адекватности созданной геологической модели хранилища.

Таким образом, объем геофизических исследований, выполненных по спецпрограмме, показал корректность геологических представлений об объекте, что заложено в геологическую и гидродинамическую модель. Также можно констатировать, что регламентированный объем ГИС и плотность системы наблюдений достаточны для решения задач контроля за распространением газовой залежи.

Таким образом, методика решения вопроса об адекватности системы наблюдений за контролем эксплуатации ПХГ заключается в следующем. Разрабатывается и реализуется специальная программа дополнительных геофизических исследований по утверждённой системе наблюдений, в сезоне закачки, или отбора. На основе геофизических данных на каждый период замеров выполняются расчёты ГПО объёмным методом на геологической модели. Вычисляется разница изменения ГПО от начального замера. Аналогичные расчёты проводятся на гидродинамической модели, но основываясь на учётных данных объёмов закачанного, или отобранного газа. Производится сравнительное сопоставление динамики ГПО, рассчитанного по обоим методам. В случае близких результатов и отсутствия систематического тренда, возможно сделать вывод об адекватности контроля распространения газовой залежи в пласте коллекторе. Предложенную методику целесообразно выполнять единожды для принятой схемы эксплуатации ПХГ, и повторять при изменении параметров эксплуатации, или технологических показателей ПХГ.

Если в динамике ГПО расхождения значительны и имеют однонаправленный характер, необходимо принимать меры по выявлению и контролю новых опасных направлений растекания газа.

Задача оценки возможности ухода газа за замыкающую изогипсу при эксплуатации хранилища в режиме, отличающемся от проектного, решается на основе постоянно действующей геолого-технологической модели. Так, для Касимовского ПХГ выполнены расчеты по оценке возможности эксплуатации хранилища с объемами отбора 7 млрд.м.куб., что меньше проектного, и увеличения объемов отборов до 11 млрд. м3 газа (при условии ввода 44 новых дополнительных скважин). Рассматривалось влияние различных объемов отборов на растекание залежи и риски ухода газа за замыкающую изогипсу. По результатам расчетов установлено, что при длительной эксплуатации хранилища с объемом отбора меньше проектного, происходит растекание залежи. В связи с теплыми зимами в последние годы из ПХГ фактически отбирается объем газа существенно меньше, чем проектный. Эксплуатация хранилища в таком режиме приводит к снижению пластового даквления, сокращению «полки» максимальной суточной производительности и росту ГПО. По результатам расчетов, при эксплуатации с отборами 7 млрд.м.куб. ГПО вырастет на 10% (рисунок 3). Возникает опасное направление растекания, на 4-5 год возникает риск ухода газа в районе осложняющего купола (рисунок 4).

На рисунке 5 представлена расчетная динамика объема газа в пласте при циклической эксплуатации ПХГ с отбором 11 млрд м3. Как показывают расчеты, ГПО залежи сокращается, особенно резкое сокращение происходит в первые циклы эксплуатации ПХГ. Через 8 лет эксплуатации ПХГ максимальный ГПО составляет 185 млн м3, что соответствует ГПО в 2008 г., когда была произведена закачка долгосрочного резерва. При расчетном режиме эксплуатации ПХГ в результате сокращения ГПО повышается давление в газовой залежи.

Рисунок 3. Касимовское ПХГ. Динамика объема газа в пласте и ГПО при отборе 7 млрд.м.куб. в течение нескольких лет

Рисунок 4. Касимовское ПХГ. Расчетное распределение газонасыщенности на пятый год эксплуатации с отбором 7 млрд.м.куб.

Через 8 лет эксплуатации ПХГ максимальное давление в конце сезона закачки повышается на 5 кгс/см2. При этом, минимизируются риски ухода газа за замыкающую изогипсу в опасных направлениях растекания. Газонасыщенность в осложняющем куполе снижается до остаточного уровня.

Рисунок 5. Касимовское ПХГ. Динамика объема газа в пласте и ГПО при отборе 11 млрд.м.куб. в течение нескольких лет

Таким образом, расчеты, проведенные на ПДГТМ позволили установить появление опасных направлений растекания газа при эксплуатации ПХГ с отборами ниже проектных, разработать режимы эксплуатации при которых обеспечивается стабильная и безопасная работа хранилища.

Для хранилищ, созданных в тектонически-экранированных ловушках, возможная структура потерь газа рассмотрена на примере Невского ПХГ, созданного в водоносном пласте поднятого блока. Геолого-технологическое моделирование и комплексный анализ геофизических исследований и промысловых данных по скважинам опущенного и поднятого тектонических блоков показал сложный характер гидродинамической связи этих блоков. На основе фазового отставания реакции скважин, размещенных за разломом, и сопоставления амплитуд давления в опущенном и поднятом блоках, установлена проницаемость нарушения по подстилающей газовую залежь водоносной зоне. При этом, на удалении от разлома данная зона не является коллектором. Выявлено, что оттеснение подошвенной воды из поднятого блока, где расположен объект эксплуатации, в опущенный блок происходит нерегулярно, при достижении достаточно высокого пластового давления и высоких темпах закачки. В этом случае латеральное оттеснение воды в поднятом блоке не успевает обеспечивать высвобождение газонасыщенного порового объема требуемыми темпами. Такой тип сообщаемости блоков охарактеризован как переток по дезинтегрированной зоне. Геологическое моделирование выявило интервалы примыкания вышезалегающих коллекторов опущенного блока к объекту эксплуатации поднятого блока, а также интервалы, в которых коллектор опущенного блока соединяет между собой через разлом два примыкающих коллектора поднятого блока (рисунок 6). Такие случаи названы в диссертационной работе как переток примыкания и транзитный переток.

Таким образом, выявлена потенциальная (при нарушении режима эксплуатации) сообщаемость тектонических блоков по 3 типам перетока: по дезинтегрированной зоне; по перетоку примыкания; по транзитному перетоку. Выявленные потенциальные направления распространения пластового флюида обуславливают порядок организации объектного мониторинга по контролю пластовых потерь и герметичности на подобных объектах.

Рисунок 6. Невское ПХГ. Возможные пути перетока газа через опущенный блок

Хранилища, созданные в литологически экранированных ловушках, на территории России отсутствуют. Отмечаются лишь локально развитые литологические экраны, не ограничивающие полностью ловушку. Предельным случаем литологически экранированной ловушки является хранилище, созданное в кавернах в каменной соли.

Хранилища, созданные в водоносных пологозалегающих пластах, имеют структуру потерь газа, охватывающую многие из рассмотренных выше случаев: безвозвратные потери, связанные с адсорбцией, растворением и диффузией газа; потери, связанные с диспергированным газом в переходной зоне; возможные потери, связанные с растеканием залежи и образованием тонких языков газа, экономически нерентабельных к эксплуатации; потери связанные с возможными зонами опесчанивания покрышки; возвратные потери, обусловленные выводом части газа из дренируемого объема.

Наиболее ярким примером такого хранилища является Гатчинское ПХГ. Проведенный автором анализ динамики давлений в сопоставлении с учетными объемами газа, динамики ГПО и коэффициента газонасыщения по результатам многолетнего геофизического контроля, а также результаты выполненных расчетов (на основе формулы С.Н.Бузинова - А.А.Михайловского), позволили оценить объем ежегодного недоотбора газа на уровне 0,6 % от общего объема газа. Полученные автором результаты учтены ООО «Газпром ВНИИГАЗ» при осуществлении авторского надзора за эксплуатацией хранилищ с аналогичными характеристиками. Так, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» были обоснованы ежегодные пластовые потери по ПХГ Акыртобе АО «Интергаз Центральная Азия», утвержденные в 2012 г. Агенством по регулированию естественных монополий Республики Казахстан.

Таким образом, затраты (и возможные потери) газа в хранилищах в пологозалегающих водоносных пластах наиболее значительны и определяются, в основном, сложной формой газонасыщенного объема и большой площадью газоводяного контакта, что приводит к значительным объемам растворенного и диффундирующего газа.

В диссертационной работе показано, что в зависимости от типа пористости пласта-коллектора возможны затраты, но не потери газа. Структура возможных затрат газа, вызванных типом пористости пласта-коллектора, рассмотрена на примере Краснодарского и Невского ПХГ.

В коллекторах с матричной пористостью в той или иной степени присутствует пограничная зона, которая характеризуется определенной пористостью и низким значением проницаемости. Фактором, определяющим производительность ПХГ, является проницаемость. Степень вовлечения низкопроницаемых объемов пласта в дренируемую область зависит от ряда геолого-технологических параметров, в том числе количества скважин и способа вскрытия пласта, темпов закачки и отбора. Пласт с одинаковой проницаемостью может в одном хранилище быть вовлечен в процесс циклической эксплуатации, на другом объекте просто содержать в себе буферный газ, не работающий в цикле. В этой связи, определение «затраты газа» использовано автором для того, чтобы подчеркнуть, что этот газ остается в пласте и не является потерянным. Данный объем газа следует рассматривать как составную часть буферного газа, если объем низкопроницаемого коллектора учтен технологическим проектом. В случае же неточности в оценке объема низкопроницаемого коллектора, когда насыщающий газ не может быть отобран в процессе циклической эксплуатации ПХГ при полном соблюдении условий технологического проекта, этот объем газа следует относить к дополнительным долговременным затратам.

Для оценки объемов затрат газа автором разработан метод статистического анализа дисперсии коэффициента газонасыщения по скважинам, за многолетний период, в зависимости от коллекторских свойств пород, вскрываемых скважинами (рисунок 7).

Метод реализуется на основе геологической модели объета, по результатам геофизического контроля эксплуатации. Метод включает определение граничных значений проницаемости, при которых на данном объекте не происходит циклической фильтрации газа, и значения проницаемости, при котором не происходит насыщение пласта газом (граница коллектор - неколлектор).

Низкая степень дисперсии коэффициента газонасыщения в периоды после закачек и отборов газа указывает на слабое вовлечение данной зоны пласта в процесс циклической эксплуатации. Проведенное исследование статистических данных материалов ГИС-контроль показало, что такие зоны с малой дисперсией газонасыщения, соответствуют низкопроницаемым разностям пласта коллектора. На основе полученных значений, с учетом распределения коэффициента газонасыщения и текущего положения ГВК, определяются слабодренируемые объемы газа, не вовлеченные в циклическую эксплуатацию.