|
УДК 556.3(476.2) |
Плотностная и вискозиметрическая характеристика гидрогеологического разреза Припятского прогиба
В.М. ШИМАНОВИЧ, М.Г. ЯСОВЕЕВ (ИГиГ АН БССР)
При проведении гидрогеологических исследований в нефтегазоносных бассейнах, в частности при изучении динамики подземных вод глубоких горизонтов осадочного чехла земной коры, при выборе рациональной схемы разработки нефтяных месторождений и системы их заводнения, необходима достоверная оценка физических свойств подземных вод в пластовых условиях. Наибольший практический интерес из параметров, характеризующих физическое состояние подземных вод, представляют плотность и динамическая вязкость, входящие в уравнение движения жидкости в пористой среде, а также расчетные формулы гидравлики и гидродинамики.
Плотность и вязкость жидкости зависят от концентрации растворенных в ней солей, температуры и давления. По этой причине использование для пластовых флюидов значений физических свойств, определенных при нормальных условиях (комнатная температура, атмосферное давление), приводит к значительным погрешностям, если термобарические параметры пласта достаточно высоки.
Влияние температуры и
концентрации растворенных солей на физические свойства растворов электролитов
более значительно, чем давления. В морской воде увеличение давления в интервале
0,1 -100 МПа вызывает такое же возрастание ее плотности, как и при уменьшении
температуры от 40 и до 0 °С или при повышении солености от 5,5 до 40
[4]. Величина вязкости
при подъеме давления в тех же пределах сначала незначительно падает (на 2.9 %),
затем растет. В реальных гидрогеологических бассейнах пластовое давление редко
превышает 100 МПа [1], поэтому его влиянием можно пренебречь.
Для изучения пространственной изменчивости физических свойств подземных вод в пластовых условиях нами выполнена серия экспериментальных определений плотности и динамической вязкости рассолов конкретного гидрогеологического бассейна - Припятского прогиба [2].
Рассолы межсолевого и подсолевого девонского продуктивных комплексов Припятского прогиба по анионному составу относятся к хлоридному типу. По преобладающим компонентам это хлоридно-натриевые рассолы с минерализацией более 280-320 г/л - хлоридные кальциево-натриевые и натриево-кальциевые.
Точность определения вязкости, как показало сравнение результатов, предварительно выполненных ее измерений для чистой воды (бидистиллята) и растворов хлористого натрия с литературными данными, достаточно высока и составляет 1-2, реже 5 %. Хорошая сходимость результатов получена и для плотности. Дальнейшая статистическая обработка опытных данных позволила получить математические зависимости, связывающие изученные физические характеристики рассолов с величинами общей концентрации водорастворенных веществ (уравнения изотерм) и температурой (политермы).
Уравнение зависимости плотности от минерализации и температуры имеет вид
где
- плотность рассолов, г/см3;
a, b - коэффициенты политерм текучести; М - минерализация
рассолов, г/л; t - температура
рассола, °С. Расчет по выражениям (1) и (2) дает прямолинейные изотермы
плотности: политермы представлены семейством кривых (в логарифмическом масштабе
- серией прямых). Номограмма расчетных значений плотности, построенная с
уравнением (1), приведена на рис. 1. При расчетах по
формуле (1) средняя относительная погрешность изменяется в пределах 0,384-0,491
%, а среднее квадратическое отклонение - от 0,0044 до 0,0053 г/см3.
Почти полная тождественность выражения (1) с уравнением Ф.П. Самсонова и Д.Ш. Новосельцевой [3] позволяет предположить, что найденная зависимость имеет универсальный и объективный характер.
При изучении вопроса о
наилучшей аппроксимации опытных данных по вязкости (h)
установлено, что неплохие результаты дают выражения вида 
(коэффициенты корреляции r изменяются от 0,9958 до 0,9997). Входящие
в уравнения политерм текучести коэффициенты а и b, индивидуальные
для каждой пробы, зависят от минерализации. Анализ зависимостей а=f(M) и b=f(M) показал, что при минерализациях
около 220-240 и 310-320 г/л соответственно плавный ход кривых нарушается, и они
преломляются. Следовательно, существуют три области концентраций (М<230,
230<М<320 и М>320 г/л), разграниченные переломными точками и характеризующиеся
различными уравнениями динамической вязкости (табл. 1).
Расчетные изотермы динамической вязкости, построенные на основании уравнений табл. 1, приведены на рис. 2.
Как показало сравнение расчетных и опытных данных, погрешность в оценке вязкости (0-0,247 мПа*с) составила 8,52 %. Средняя погрешность определения вязкости (±0,0349 мПа*с) по выборке из 30 проб, изученных при различных температурах, равна 2,53 %. Наибольшей погрешностью характеризуются расчеты вязкости для температуры 25 °С.
Полученные аналитические
выражения, связывающие плотность и вязкость подземных вод с минерализацией и
температурой, позволяют охарактеризовать основные закономерности
пространственной изменчивости физических свойств рассолов Припятского прогиба в
пластовых условиях. С этой целью для всех имеющихся качественных проб рассолов
(n=582) межсолевого и подсолевого
продуктивных комплексов по известной минерализации и температуре рассчитаны
значения плотности и динамической вязкости в пластовых условиях в соответствии
с приведенными выше выражениями. Температура пласта непосредственно замерялась
в интервалах опробования, или ее значения рассчитывались по полиномиальным
уравнениям геотермограмм [2]. После этого стандартными методами обработки
фактического материала на ЭВМ получены уравнения, связывающие плотность
и вязкость рассолов 
с глубиной,
минерализацией и температурой.
Хорошее приближение к реальным условиям пластовых систем дают уравнения множественной регрессии для изучаемых величин:
О характере изменения
плотности и вязкости рассолов в пластовых условиях дают представление
зависимости 
и
от глубины залегания
опробованных интервалов, полученные методом полиномиальной регрессии (рис. 3).
Зависимости, связывающие плотность рассолов в пластовых условиях с глубиной их залегания, обладают высокой достоверностью (табл. 2), что позволяет рекомендовать уравнения (4) и (5), рассчитанные соответственно для межсолевого (r=0,837) и подсолевого (r=0,751) комплексов, для использования в практике геологоразведочных работ:
где Н - глубина залегания, км.
Зависимости динамической вязкости от глубины, рассчитанные по тем же выборкам, обычно менее четкие (r=0,335... 0,976), чем зависимости плотности от глубины.
Приведенные в настоящей работе материалы позволяют существенно уточнить широко применяемые в гидрогеологических исследованиях для характеристики динамики подземных вод расчетные формулы и оценить погрешности, возникающие при недоучете пластовых температур. Наиболее интересной и практически важной областью применения полученных уравнений является методика оценки приведенных давлений, а расчетные формулы, содержащие плотность и вязкость в качестве переменных, в частности, применимы при расчете эксплуатационных запасов подземных рассолов на отдельных площадях Припятского прогиба и выборе схем рациональной эксплуатации водозаборных сооружений.
Обычно для условий Припятского прогиба постулировался логарифмический характер изменения плотности рассолов, определенной в стандартных условиях, в зависимости от глубины, что позволило М.В. Фадеевой и П.А. Киселеву, а позднее М.Г. Ясовееву [5] использовать для расчетов приведенных пластовых давлений (рпл) выражение
где h1 - высота столба рассола в скважине от середины интервала опробования до отметки статистического уровня, H1 и H2 - отметки плоскостей в интервале опробования и сравнения.
Плотность рассолов -
важнейший параметр для определения величины приведенного давления (рпр)
в соответствии с выражением
, поэтому мы оценили погрешности расчетов рпр,
возникающие при аппроксимации зависимости 
логарифмическим законом связи по сравнению с
полиномиальными [5]. Результаты сравнения рпр, рассчитанного
различными способами, показаны в табл. 3, из которой
видно, что недоучет влияния температуры на плотность рассолов приводит к
систематическому завышению рпр в межсолевом водоносном
комплексе и к знакопеременному сдвигу значений рпр - в подсолевом.
Величина погрешности, составляющая 0,23-11,48 МПа, сопоставима с замеренными
фактическими пластовыми давлениями (8-58 МПа) в Припятском прогибе. Поэтому во
всех последующих расчетах приведенных пластовых давлений мы считаем
целесообразным рекомендовать уточненные (с учетом температуры) зависимости 
.
К аналогичным выводам
можно прийти при использовании полученных нами функций 
и 
в расчетах водообильности водозаборных сооружений,
добывающих подземные рассолы. Обоснование некоторых расчетных схем, применяемых
для оценки эксплуатационных запасов подземных рассолов на отдельных площадях
Припятского прогиба, рассматривалось ранее [6], причем во многие формулы в
качестве переменных входят 
и 
. Таковы уравнения для расчета коэффициентов
проницаемости и пьезопроводности пластов и других параметров, определяемых при
гидродинамических исследованиях скважин по результатам опытно-эксплуатационных
работ. Как показывает предварительный анализ, использование параметров 
и 
, отвечающих нормальным
(стандартным) условиям, приводит к завышению результатов на 10-12 % по сравнению
с аналогичными расчетами, но выполненными с учетом пластовых температур.
Таким образом, экспериментальные определения плотности и вязкости рассолов и полученные на их основе эмпирические зависимости позволяют дать объективную характеристику вертикальной и латеральной изменчивости физических свойств рассолов в гидрогеологическом разрезе Припятского прогиба. Недоучет изменчивости плотности и вязкости рассолов в пластовых условиях может служить источником значительных систематических погрешностей при гидрогеологических исследованиях.
В заключение отметим, что рассолы Припятского прогиба по составу, минерализации и, очевидно, по физическим свойствам сходны с рассолами других нефтегазоносных бассейнов, содержащих в своем разрезе соленосные толщи. Поэтому все методические приемы и выводы, изложенные в настоящей работе, применимы и для других регионов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Корценштейн В.Н. Методика гидрогеологических исследований нефтегазоносных районов. - М.: Недра. - 1976.
2. Кудельский А.В., Шиманович В. М., Махнач А.А. Гидрогеология и рассолы Припятского нефтегазоносного бассейна. - Минск: Наука и техника. - 1985.
3. Самсонов Ф.П., Новосельцева Д.Ш. Эмпирическая формула для определения плотности подземных вод при различных температурах // Труды ВНИГНИ.- М. Вып. 200.- 1977.- С 202-207.
4. Хорн Р. Морская химия. - М.: Мир. - 1972.
5. Ясовеев M.Г. К методике расчета приведенных давлений в девонских водоносных комплексах Припятской впадины // В кн.: Материалы геологического изучения земной коры Белоруссии. - Минск. - 1978.- С. 49-52.
6. Ясовеев М.Г. Йодо-бромные рассолы и гидрогеологические предпосылки их использования // В кн.: Гидрогеология и нефтегазоносность. - Минск. - 1982.- С. 142-161.
Зависимость динамической вязкости (
, мПа*с) рассолов Припятского
прогиба от их минерализации (М, г/л) и пластовой температуры (t, °C)
|
Минерализация, г/л |
Вид политермы |
Коэффициент политерм текучести |
|
|
а |
b |
||
|
<230 |
|
|
|
|
230-322,2 |
|
|
|
|
<322,2 |
|
|
|
Параметры уравнений полиномиальной регрессии по плотности и вязкости подземных рассолов Припятского прогиба в зависимости от глубины
|
Структурно-тектоническая зона и ее часть |
Уравнения вида |
Уравнения вида |
||||||||
|
Степень полинома |
r |
n |
|
S |
Степень полинома |
r |
n |
|
S |
|
|
Межсолевой комплекс |
||||||||||
|
СТЗ (СЗ) |
4 |
0,877 |
28 |
0,5 |
0,008 |
5 |
0,976 |
28 |
16,8 |
0,257 |
|
СТЗ (СВ) |
4 |
0,869 |
140 |
0,6 |
0,010 |
3 |
0,676 |
140 |
9,1 |
0,133 |
|
ЦТЗ+ЮТЗ |
6 |
0,991 |
59 |
1,8 |
0,031 |
6 |
0,666 |
59 |
10,8 |
0,192 |
|
В целом |
4 |
0,837 |
227 |
0,8 |
0,014 |
4 |
0,555 |
227 |
13,5 |
0,207 |
|
Подсолевой комплекс |
||||||||||
|
СТЗ (СЗ) |
3 |
0,804 |
77 |
0,8 |
0,013 |
5 |
0,400 |
77 |
12,7 |
0,216 |
|
СТЗ (СВ) |
3 |
0,799 |
122 |
0,9 |
0,015 |
3 |
0,355 |
122 |
13,1 |
0,207 |
|
ЦТЗ+ЮТЗ |
3 |
0,769 |
156 |
1,5 |
0,024 |
3 |
0,382 |
156 |
18,3 |
0,374 |
|
В целом |
3 |
0,751 |
355 |
1,2 |
0,020 |
3 |
0,367 |
335 |
18,5 |
0,341 |
Примечание. СТЗ, ЦТЗ и
ЮТЗ - соответственно северная, центральная н южная тектонические зоны, СЗ и СВ
- северо-западная и северо-восточная их части, r - коэффициент корреляции, n - число проб,
- средний коэффициент аппроксимации, S - стандартное отклонение.
Оценка погрешности приведения
пластового давления (МПа) к плоскости сравнения - 2600 м при аппроксимации зависимости плотности от глубины логарифмической (
) и полиномиальной (
) функциями
|
Глубина, м |
Межсолевой комплекс |
Подсолевой комплекс |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
10,15 |
10,37 |
-0,22 |
-2,13 |
9,10 |
10,28 |
- 1,18 |
- 11,48 |
|
2000 |
22,18 |
21,81 |
0,37 |
1,70 |
21,41 |
21,46 |
-0,05 |
-0,23 |
|
3000 |
34,72 |
33,67 |
1,05 |
3,12 |
33,30 |
33,04 |
0,26 |
0,79 |
|
4000 |
46,32 |
45,08 |
1,24 |
2,75 |
45,50 |
45,02 |
0,48 |
1,07 |
Рис. 1. Расчетные политермы плотности подземных вод н рассолов Прнпятского прогиба
Рис. 2. Расчетные изотермы динамической вязкости подземных вод и рассолов Припятского прогиба
Рис. 3. Графики зависимости плотности (I) и вязкости (II) рассолов Припятского прогиба в пластовых условиях от глубины залегания водоносных комплексов:
а - комплексы Припятского прогиба в целом, б - Центральная и Южная тектонические зоны. Водоносные комплексы: МС - межсолевой, ПСК и ПСТ - подсолевой карбонатный и терригенный