Концепция и методика региональной оценки эксплуатационных запасов минерализованных подземных вод апт-сеноманского водоносного комплекса на территории ХМАО
Автор: Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Палкин С.С.
С конца 60-х годов 20 века на месторождениях нефти и газа ЯНАО и ХМАО в системе ППД применяются подземные минерализованные воды апт-альб-сеноманского водоносного комплекса. Положение водоносного комплекса в региональном геологическом разрезе Западно-Сибирской плиты иллюстрировано на рис. 1. Максимальная пригодность подземных вод комплекса по указанному целевому назначению обусловлена близостью химического состава апт-сеноманских вод с подземными водами в интервале промышленной нефтеносности (неоком-юрского водоносного комплекса) и, соответственно, хорошими нефтевымывающими свойствами. Это доказано многолетней практикой использования подземных вод апт-сеномана на месторождениях нефти ХМАО и ЯНАО.
В максимальной степени они используются на территориях Сургутского, Нефтеюганского и Нижневартовского районов ХМАО и Пуровского района ЯНАО, где распространены преимущественно песчаные апт-синоманские отложения (так называемая покурская свита). Сооружение водозаборов и их эксплуатация при этом производились без специальных исследований и гидрогеологического обоснования. Суммарный отбор подземных вод комплекса для целей ППД в 1971 году составлял 69 тыс. м3/сут , а к 1977 году достиг 158 тыс. м3/сут. Современный отбор на этой территории в 2002 году составил около 340 тыс. м3/сут. Потребность в минерализованных водах для целей ППД на 2005 год оценивается величиной около 470 тыс. м3/сут. Эксплуатация водозаборных участков минерализованных технических вод на лицензионных участках нефтедобычи часто происходит в условиях их гидродинамического взаимодействия с наложением депрессионных воронок на отдельных участках близкого расположения нескольких водозаборов.
Апт-альб-сеноманский водоносный комплекс регионально распространен на преобладающей части территории ХМАО и представляет собой сложнослоистую толщу неравномерно переслаивающихся песков, песчаников, алевролитов и глин общей мощностью от 800 до 900 м. Коллекторские водовмещающие пласты при этом разделяются друг от друга слоями глин, алевролитов и аргиллитов с очень низкими фильтрационными свойствами, причём разделяющие слои в целом имеют в 3-4 раза большую мощность, чем суммарная мощность пластов-коллекторов. Водоносный комплекс на рассматриваемой территории содержит умеренно-солоноватые и слабосолёные воды с минерализацией до 29,34 мг/л. По химическому составу воды комплекса хлоридные натриевые, с очень малым содержанием сульфатов. Температура подземных вод составляет +30 - +600С, на отдельных участках достигает +800С.
В начале 70-х годов Тюменскими гидрогеологами были начаты, а в 1975-77 гг. выполнены работы по изучению и региональной оценке эксплуатационных запасов подземных вод комплекса по Сургутскому и Нижневартовскому районам ХМАО. Гидрогеологические условия водоносного комплекса при оценке запасов подземных вод были схематизированы в виде изолированного в разрезе и неограниченного в плане водоносного горизонта с постоянной мощностью. Геофильтрационные параметры для отдельных месторождений принимались на основании геофизических исследований в эксплуатационных на воду и нефтеразведочных скважинах, а также по данным лабораторных испытаний керна. На основании выполненных исследований по Нижневартовскому и Сургутскому районам были утверждены запасы минерализованных подземных вод для ППД в размере 750 тыс. м3/сут (из них 402 тыс. м3/сут – по категории С2, остальные – по более высоким категориям).
Выполненные работы и применённый подход охарактеризовали эксплуатационные запасы апт-альб-сеноманского водоносного комплекса в целом и сыграли большую положительную роль, позволив вовлечь в эксплуатацию значительное количество участков, где необходимо было обеспечить процесс ППД при нефтедобыче.
В 80-х годах потребность в минерализованных подземных водах для ППД продолжала возрастать. Например, в период 1976-99 г.г. по территории ХМАО была выполнена оценка эксплуатационных запасов минерализованных подземных вод на 71 участке нефтедобычи в сумме 1393 тыс. м3/сут, в т.ч. 819,1 тыс. м3/сут по промышленным категориям А и В, что превысило суммарную величину запасов, оцененных по результатам проведенной региональной оценки.
Подсчёт эксплуатационных запасов минерализованных вод в этот период также выполнялся с использованием принятого при региональной оценке гидродинамического подхода со схематизацией пласта в качестве изолированного неограниченного и однородного. Расходы действующих и проектных водозаборов принимались по их максимальной производительности на весь амортизационный срок эксплуатации. Как правило, учитывались все водозаборы, расположенные в радиусе до 100 км (рассчитанный по логарифмической аппроксимации радиус влияния) от оцениваемого участка.
В то же время, как показала многолетняя практика, динамика работы водозаборов существенно отличается от результатов прогнозных расчётов при принятой схеме учёта максимальной производительности водозаборных участков на весь период эксплуатации. Минерализованные воды апт-сеномана наиболее интенсивно используются на начальных стадиях разработки месторождений с последующим постепенным снижением их отбора за счет компенсации подтоварными водами вплоть до полной остановки водоотбора из апт-сеноманского водоносного комплекса.. Если на конкретных месторождениях в отдельные периоды доля использования апт-сеноманских вод в общем объеме закачки для целей ППД достигает 100 %, то в целом по территории ХМАО и ЯНАО она составляет около 10 %. Множество водозаборных участков, для которых были подсчитаны и учтены в балансе эксплуатационные запасы минерализованных вод апт-сеномана за период с 1977 г. были выведены из эксплуатации, в то же время были введены в эксплуатацию новые участки. В связи с этим взаимодействие депрессий отдельных водозаборных участков постоянно изменяется во времени и пространстве: в то время, как на удалённых от действующего водозабора участках может отмечаться ещё только начало влияния его эксплуатации, на более близких уровни подземных вод могут восстанавливаться за счёт снижения дебита отбора. Кроме того, в сложнослоистой водоносной толще большой мощности, какой является апт-сеноманский водоносный комплекс, гидродинамическое возбуждение всей её эффективной мощности, как это предполагается в расчётной схеме изолированного однородного пласта, практически невозможно. Реально эта толща работает как многопластовая система, ёмкость которой значительно больше расчётной, а взаимодействие водозаборов значительно меньше, то есть реальная доля собственного понижения уровней в скважинах от их работы больше, а суммарная величина взаимодействия меньше расчётной.
Таким образом, гидродинамические расчеты при оценке эксплуатационных запасов на отдельных участках и при региональных оценках, основанные на упрощенных расчетных схемах, приводят к резкому завышению срезок уровней по сравнению с реальными и неверным, в конечном счете, представлениям об условиях эксплуатации рассматриваемого комплекса в региональном плане.
Таким образом, к настоящему времени практика освоения отдельных участков эксплуатации подземных вод апт-сеноманского водоносного комплекса и реальная картина формирования воронок депрессии и гидродинамического взаимодействия между отдельными водозаборными участками вошли в противоречие с результатами гидродинамических расчетов, как выполненных ранее, в 70-х годах, при региональных оценках эксплуатационных запасов в Сургутском и Нижневартовском районах, так и при оценке эксплуатационных запасов отдельных участков в настоящее время.
К этому следует добавить, что апт-сеноманский водоносный комплекс на отдельных участках его распространения представляет практический интерес для целей бальнеолечения, а на 2-х таких участках (г.г. Сургут, Когалым) он уже вовлечен в эксплуатацию для вывода минеральных вод. Кроме того рассматриваемый водоносный комплекс является, по существу, единственным продуктивным элементом в разрезе платформенного чехла Западно-Сибирской плиты для утилизации в недра избытков подтоварных вод на месторождениях углеводородов, что может интенсифицировать здесь добычу нефти, особенно на давно разрабатываемых, переобводненных месторождениях.
Перечисленные обстоятельства потребовали выполнения региональной оценки эксплуатационных запасов апт-сеноманского водоносного комплекса на новый фактологической и методологической основе, учитывающей как реальные условия формирования запасов, так и реальную картину их фактического освоения за прошедший (более, чем 30-летний) период, а также реальные перспективы дальнейшего освоения во вновь сложившихся в 90-х годах ХХ века хозяйственно-экономических условиях.
Региональная оценка эксплуатационных запасов минерализованных подземных вод апт-сеноманского водоносного комплекса на настоящем этапе его освоения должна обеспечить:
- оценку общих ЭЗПВ целевого водоносного комплекса на территории ХМАО с учетом потребности всех нефтедобывающих предприятий для обеспечения систем ППД и реальной динамики изменения как перспективного, так и фактического водоотбора (включая отбор подземных вод за весь период их использования);
- создание региональной основы лицензирования использования недр для геологического изучения и добычи подземных вод или закачки подтоварных вод в недра, в том числе и с учетом потребности в воде для бальнеолечения, а также оценки эксплуатационных запасов подземных вод на отдельных площадях и участках;
-подготовку основы ведения мониторинга подземных вод на территориальном уровне.
Исходя из этого, методика оценки ЭЗПВ должна базироваться на современных информационных технологиях с использованием математического моделирования, позволяющих перейти от отдельных оценок эксплуатационных запасов на конкретных участках или территориях по состоянию на определенную дату к созданию информационно-аналитических систем, позволяющих отслеживать пространственно-временные изменения состояния недр и оперативно учитывать изменения текущих и перспективных планов их освоения. Наиболее эффективно это может быть реализовано на основе использования системы постоянно-действующих разномасштабных численных моделей (ПДМ), информационно-аналитическое обеспечение которых осуществляется путём создания автоматизированного банка данных, взаимосвязанного с ПДМ. В дальнейшем такая автоматизирования информационно-аналитическая система (АИАС) позволит оперативно отслеживать изменения условий эксплуатации и вносить необходимые изменения в выполняемые прогнозы в рамках системы Государственного мониторинга состояния недр ХМАО. Составными частями подобной информационно-аналитической системы являются информационная и картографическая базы данных, составляющие единый банк данных гидрогеологической информации, а также система численных гидрогеологических моделей ПДМ нескольких уровней. Общая структура АИАС представлена на рис.2.
Система ПДМ включает в себя модели трёх уровней – региональную, локальные и детальные модели. Региональная модель на основе карт масштаба 1: 1000000 создаётся для целей региональной оценки запасов подземных вод и используется в дальнейшем для ведения мониторинга подземных вод II-го гидродинамического этажа на федеральном уровне (по ХМАО в целом). Локальные модели создаются по территориям отдельных групп месторождений для исследования характера взаимовлияния эксплуатации месторождений в условиях динамически изменяющегося водоотбора и ограниченных сроков эксплуатации отдельных участков. В дальнейшем они используются для ведения мониторинга локального уровня. Эти модели строятся на основе карт масштаба 1: 200 000. Детальные модели строятся для территорий отдельных участков разработки недр на основе карт масштаба 1: 10 000 и используются для оценки запасов и управления эксплуатацией скважинами водозаборов. Обратный обмен информацией между системой ПДМ и банком данных гидрогеологической информации происходит в виде карт уровней и понижений уровней, передаваемых в ГИС-проект, а также уточнённых гидрогеологических параметров, прогнозируемых характеристик, графических приложений и балансовых таблиц, передаваемых в фактографическую базу данных.
Структура и состав банка данных гидрогеологической информации, используемого для целей региональной оценки запасов минерализованных подземных вод по территории ХМАО, в отличие от широко распространенных для целей мониторинга на территории Российской Федерации баз данных, имеют ряд особенностей, учитывающих специфику гидрогеологических условий водоносного комплекса и использования подземных вод для ППД, а также состав и виды имеющейся и поступающей при разведке и освоении участков гидрогеологической информации. Среди этих особенностей следует выделить:
1. Привязанность участков использования апт-сеноманских вод к месторождениям нефти и газа и лицензионным участкам нефтедобычи. В связи с этим динамика использования минерализованных вод зависит от сроков и динамики разработки нефтяных лицензионных участков, информация о которых также должна учитываться в составе БД. При этом по мере освоения участков апт-сеноманский водоносный комплекс может использоваться как для добычи подземных вод с целями ППД, так и для закачки (захоронения) подтоварных вод. В определённые периоды здесь может производиться и то и другое недропользование одновременно, что требует раздельного учёта отбора и закачки минерализованных вод.
2. Значительную глубину залегания и мощность эксплуатируемого водоносного комплекса. В связи с этим набор гидрогеологических данных о положении уровней подземных вод при эксплуатации водозаборов, данных представительных геофильтрационных опробований, геофильтрационных параметрах комплекса существенно ограничен. Данные об уровнях подземных вод при эксплуатации и опробованиях представлены преимущественно грубыми (с помощью эхолота) замерами динамических уровней в эксплуатационных скважинах с весьма различным техническим состоянием и режимом эксплуатации и требуют тщательной отбраковки при подготовке данных к передаче в ПДМ. Данные о фильтрационных параметрах представлены точечными испытаниями в узких интервалах разреза по результатам лабораторных определений или испытателя пластов, которые нельзя распространить на весь разрез водовмещающих пород. В условиях значительной мощности комплекса даже данные кустовых фильтрационных опробований характеризуют только ограниченную часть разреза водовмещающих пород. В результате практически все источники информации о параметрах водовмещающих пород являются косвенными и требуют комплексного анализа, основным источником при этом являются данные геофизических исследований. Структура и состав базы данных должны предусматривать возможность подобного анализа.
3. Основным источником информации о геофильтрационных параметрах пород апт-альб-сеноманского водоносного комплекса являются геофизические каротажные исследования скважин методом ПС. Они представлены данными сотен каротажных кривых разведочных на нефть и воду скважин практически по всей территории распространения водоносного комплекса. В то же время интерпретация данных каротажа за период исследований с 60-х годов 20-го века производилась по различным методикам, из чего возникает необходимость переинтерпретации этих данных по единой методике. В связи с этим структура базы данных предусматривает возможность получения данных из специализированной подбазы обработки данных каротажей.
4. Значительная часть имеющихся литературных данных и данные результатов интерпретации ГИС о фильтрационных параметрах пород требует пересчёта в единую систему размерностей с привлечением данных о минерализации, вязкости, плотности и температуре подземных вод, исходные данные о которых часто не совпадают по площади. Информационно-аналитическая система должна предусматривать возможность проведения подобных пересчётов.
Кроме того, структура БД должна учитывать особенности конструкции глубоких скважин (отклонение ствола, характеристики перфорации и др. специфические характеристики). Для обеспечения проведения мониторинга природной среды система должна предусматривать учёт специфического воздействия подобных участков недропользования на окружающую среду, включая розливы минерализованных вод, нефти и т.п.
С помощью банка данных гидрогеологической информации осуществляется подготовка полей параметров и граничных условий для создания и ведения системы постоянно действующих численных моделей, используемых для региональной оценки запасов подземных вод апт-сеноманского водоносного комплекса, обеспечивается построение и ведение необходимого объёма карт для анализа изменения геологической среды и составления информационных бюллетеней о состоянии геологической среды на территории ХМАО, а также выдача необходимой информации для принятия управленческих решений.
Региональную оценку запасов с использованием описанной информационно-аналитической системы предполагается выполнить в следующей последовательности:
1. Подготовка информации путем создания картографической и фактографической баз данных. БД должна обеспечить информационное насыщение модели по всем необходимым показателям, включая условия залегания лицензируемых пластов, их параметрическая характеристика, граничные условия внешние и внутренние по отношению к лицензируемой области фильтрации, в т.ч. ретроспективный и планируемый режим водоотбора (закачки) на эксплуатируемых, выведенных из эксплуатации и планируемых к освоению в ближней и дальней перспективе участках.
2. Разработка и создание системы ПДМ, включающие в себя региональные, локальные и детальные модели. Региональная модель является основным инструментом прогноза в постановке задачи данной работы. Локальные и детальные модели используются прежде всего как опорные для детализации условий формирования запасов на участках наиболее интенсивной эксплуатации (при большой плотности размещения водозаборов и их интенсивном взаимодействии. В дальнейшем эти модели могут использоваться для детализации прогнозных расчетов для отдельных интенсивно освоенных площадей и участков.
3. Калибровка моделей путем воспроизведения на них ретроспективы освоения ВК – режима эксплуатации действующих водозаборов (как существующих, так выведенных из эксплуатации) с учетом реальной динамики изменения водоотбора (рост на начальных этапах освоения участков и последующее снижение по мере увеличения объема подтоварных вод, подлежащих утилизации вплоть до вывода водозаборов из эксплуатации). Калибровка моделей производится по схеме: региональная модель - локальная модель - детальная модель. Объем решений, связанных с локальными и детальными моделями и их необходимость определяется в процессе решения обратных задач.
4. Оценка адекватности моделей реальным природным условиям путем сопоставления результатов режима эксплуатации и решения обратных эпигнозных задач. При этом оценивается достаточность степени дискретизации моделируемого разреза большой мощности и при необходимости калибровка повторяется при новой схематизации разреза. На первом этапе моделирования предполагается схематизация ВК в виде трехпластовой системы.
5. Выполнение прогнозных расчетов уровней подземных вод.
6. Анализ результатов в прогнозных расчетов и внесение на из основании необходимых изменений в баланс ранее утвержденных запасов, в т.ч. снятия с баланса или перевод в забалансовые невостребованных запасов на участках, освоение которых не планируется.
Работы по п.п.3 и 4 представляют собой итерационный процесс, который может продолжаться весь период эксплуатации ПДМ и выполняться по мере поступления новой информации.
Предлагаемая методика и технология региональной оценки позволяют в дальнейшем выполнять как повторные региональные оценки, так и оценки эксплуатационных запасов на локальных площадках и детальных участках с минимальными затратами.
