К оглавлению	УДК 556.3.01 (571.1)
	© В.В. Трушкин, 1993

О режимах движения подземных вод глубоких горизонтов на примере Западно-Сибирского мегабассейна

В.В. ТРУШКИН (ИЧМП «Ермак»)

Согласно современном представлениям, режим движения подземных флюидов Западно-Сибирского мегабассейна характеризуется следующими закономерностями [3]. Питание второго гидрогеологического этажа мегабассейна происходит в юго-западных, южных и юго-восточных частях с последующей их разгрузкой в северо-западной, северной и северо-восточной частях. Соответственно в этих направлениях наблюдается региональное снижение приведенных напоров. Локально отмечаются изменения направления приведенных напоров, не совпадающих с региональным перемещением вод.

Для северной зоны характерно проявление АНПД двух верхних комплексов и АВПД нижних водоносных комплексов с коэффициентом аномальности до 1,5-1,7. Для центральной и южной зон типична относительно спокойная обстановка с гидростатическими пластовыми давлениями. Незначительные нарушения наблюдаются в виде пьезоминимумов и пьезомаксимумов с увеличением литологической сложности комплексов.

Выяснение причин режима движения подземных вод глубоких горизонтов имеет большое значение в нефтяной геологии для определения влияния движения подземных вод на залежи УВ. На основе теории движения флюидов относительно друг друга (газ, нефть, вода) в подземных условиях, обоснованной и сформулированной М.К. Хаббертом, разработан метод U, V, Z. [2], позволяющий определять поверхности разделов этих флюидов. Применение этого метода дает положительные результаты лишь для комплексов, характеризующихся относительно спокойной обстановкой перераспределения потенциальной энергии в пласте, например, для водоносных комплексов Западно-Сибирского мегабассейна апт-альб-сеноманского и неокомского возраста. Как показал анализ, причиной несовпадения результатов со сложной обстановкой движения пластовой воды является недостаточно детальное представление о пьезометрической поверхности исследуемого участка. Сложность распределения потенциальной энергии в коллекторе зависит от геологических условий и времени существования гидросистемы.

В настоящее время все силы, действующие на распределение потенциальной энергии пластовой воды в пласте, подразделяются на гидростатический напор столба пластовой воды, геостатическое давление вышезалегающих пород и внутренние силы. Последние включают в себя разгрузку ювенильных вод, эпигенез пород, выжимание гидротермальных растворов из пород, дегидратацию и перекристаллизацию пород.

Относительно причин перераспределения потенциальной энергии в пласте бытует весьма разноречивое представление. В целом имеются две основные точки зрения на эту проблему [5]. В первой гидростатическому напору отводится ведущая, хотя далеко не единственная роль, во второй полностью отрицается влияние гидростатического напора на движение подземных вод. Основной причиной этих разногласий является то, что зона стока рассматривалась с позиции гидродинамических свойств обычной водной жидкости, однако ее необходимо рассматривать с точки зрения свойств термодинамики или твердого тела. Граничные условия перехода свойств жидкости в твердое тело можно описать способом, предложенным Максвеллом на основе выражения Wτ, где W - временная частота воздействия переменных внешних сил; τ - порядок величины, в течение которого происходит полное затухание напряжений. При Wτ<<1 рассматриваемая пластовая вода будет вести себя как обычная вязкая жидкость. При достаточно высоких частотах (Wτ<<1) вода, напротив, будет вести себя как аморфное твердое тело [4].

Причиной относительно резкого затухания напряжений в переходной зоне будет являться диссипация механической энергии, переходящей в тепло. Дальнейшее перераспределение потенциальной энергии при постоянном напряженном состоянии начинает проявляться по истечении времени, сопоставимого с молекулярным временем. Такое движение в твердом теле рассматривается с позиции тел, носящих название вязкоупругих. Свойство твердого тела медленно деформироваться во времени при постоянных напряжениях называется ползучестью [1].

Рассмотрим влияние основных геологических сил на качественное перераспределение напряжений в однородной гидросистеме, обладающей свойствами вязкоупругого тела с точки зрения скорости ползучести пластового, флюида в упругом коллекторе. Для наглядности введем понятие квазистатическая обстановка (КСО) гидросистемы, под которой будем понимать такую обстановку, при которой, если условно приостановить воздействие внешних сил, за исключением постоянного гидростатического напора, перераспределение напряжений остается постоянным во времени. При опускании или поднятии такой гидросистемы со скоростью, меньшей скорости ползучести флюида, в ней будет сохраняться КСО. При превышении скорости движения над скоростью ползучести произойдет нарушение КСО за счет снижения напряжений в областях опускания и повышения - в области поднятий.

При внутреннем питании гидросистемы за счет отжатия вод из глинистых пород, поступления ювенильных вод и других процессов в коллекторе также будет наблюдаться временное нарушение КСО при скорости питания выше скорости ползучести. Напряжение в данной области будет повышенным. Для рассмотренных случаев при КСО гидравлический уклон остается равномерным и постоянным во времени.

Под воздействием внешних сил на гидросистему (геостатическое давление вышезалегающих пород, внутренние напряжения в пласте при проявлении тектонических движений и других сил) перераспределение напряжений будет происходить через скелет коллектора на флюид. Существенное отличие данного типа воздействия от рассмотренных ранее процессов, где будет проявляться противоположное воздействие напряжений через флюид на скелет, заключается в том, что нарушение распределения гидравлических уклонов при КСО происходит независимо от того, отмечалось ли нарушение КСО (при скорости воздействия через скелет больше скорости ползучести флюида) или нет. До этого предполагалось, что под действием внутренних и внешних сил скелет коллектора деформируется в пределах линейного закона упругости тел. При превышении предела упругой деформации в коллекторе протекает упругопластическая деформация, характеризующаяся увеличением скорости деформаций при тех же перепадах напряжений. Во время разгрузки в отличие от нелинейной упругой деформации, имеющей обратную зависимость, в упругопластическом теле будет происходить снижение нагрузки по линейной зависимости с появлением остаточной деформации, т.е. уменьшается объем пористого пространства. Если увеличивать нагрузку и при нарушении КСО за счет превышения скорости упругопластической деформации над скоростью ползучести в коллекторе при нагрузке, близкой к геостатическому давлению, произойдёт гидроразрыв пласта или образование трещинного коллектора. При возникновении в скелете коллектора упругопластических деформаций в гидросистеме наблюдается перераспределение величины гидравлических уклонов в сторону максимальных нагрузок. Степень перераспределения гидравлических уклонов в данном случае будет зависеть не только от величины упругопластических деформаций, но и от того, происходило ли нарушение КСО. Если нарушение было, то перераспределение величины гидравлических уклонов будет меньшим. Причиной нарушения гидравлических уклонов при упругой нагрузке за счет внешних сил и при упругопластических нагрузочно-разгрузочных процессах будет являться возникающая инерционная сила за счет образующейся неоднородности пласта. Такие инерционные силы будем называть активными. Пассивными будут инерционные силы, возникающие за счет литологической неоднородности коллектора.

На основе описанного можно считать, что водоносные комплексы второго гидрогеологического этажа Западно-Сибирского мегабассейна, имеющие как правило гидростатические давления в центральных и южных частях, будут характеризоваться КСО. Причиной нарушения КСО в северной зоне будет являться начавшееся в позднеплиоценовое-четвертичное время погружение мегабассейна [3]. Соответственно в верхних двух комплексах, где отмечаются отрицательные приведенные напоры, влияние упругопластической деформации за счет геостатического давления незначительно по сравнению с появляющимися отрицательными напряжениями во флюиде при погружении этих отложений. Поэтому данные районы можно считать дополнительными областями разгрузки. Если они распространены регионально с запада на восток, то северная часть этих комплексов будет не зоной разгрузки, а второй зоной «питания». В нижних водоносных комплексах скорость влияния упругопластических деформаций за счет геостатического давления начинает настолько сильно проявляться по сравнению с геодинамическим прогибанием, что уже отмечается нарушение КСО в положительную сторону. Однако отсутствие трещинного коллектора и значение коэффициента аномальности (выше 1,7) в изученных районах свидетельствуют, что упругопластические деформации не достигли такой величины, чтобы за счет внутренних упругих сил флюида произошло разрушение скелета. Исключение составляет лишь палеозой-триасовый комплекс, где образование трещин произошло, вероятно, на более ранних стадиях развития. Таким образом, северную часть этих комплексов можно назвать второй условной зоной питания с последующей разгрузкой в центральные части и на окраины северной части комплекса.

Основной причиной резкого колебания напоров на локальных участках, характерных для центральной части мегабассейна и резко неоднородных пластов, будут пассивные инерционные силы.

Для линейной вязкоупругости тел в настоящее время разработаны принципы и приближенных методов решения задач [1]. Рассмотрение этих задач применительно к природным гидросистемам пока проблематично. Исключение составляет лишь принцип Вольтерры, который успешно применяется в нефтяной геологии в виде рассмотренного ранее метода U, V, Z, например, открытые месторождения в апт-альб-сеноманском и неокомском комплексах Западно-Сибирского мегабассейна. Суть принципа Вольтерры заключается в том, что решение задачи для ползучего тела может быть получено, как и для упругого тела или с гидродинамическими свойствами жидкого тела, если пренебречь силами инерции по сравнению с другими силовыми факторами, т.е. ограничиться рассмотрением квазистатической постановки задачи. При значительном проявлении инерционных сил применение метода U, V, Z не давало положительных результатов в литологически неоднородных пластах. В теории вязкоупругих тел в таких случаях эффективными могут оказаться методы, основанные на вариационных принципах. В целом сущность вариационных принципов для реальных гидросистем можно выразить в следующей форме: среди всех возможных полей перемещений флюида, согласованных с геометрическими граничными условиями, истинными являются те, для которых падение приведенного напора будет минимальным.

До рассмотрения зоны стока глубоких горизонтов с позиции свойств твердого тела на основе зависимости между степенью литологической неоднородности коллектора и величиной перепадов приведенных напоров автор данной статьи интуитивно разработал качественный метод определения поверхностей раздела газа, нефти и воды с учетом инерционных сил. Принцип интерпретации этого метода аналогичен вариационным принципам.

Применение данного метода на основе геологических данных по поисковым и разведочным скважинам Малореченского месторождения нефти подтвердилось данными эксплуатации. Малореченское месторождение расположено в центральной части мегабассейна на юго-востоке Нижневартовского свода и приурочено к берриасс-валанжинскому комплексу (горизонт Ю₁ васюганская свита), сложенному литологически неоднородным коллектором.

Прежде чем перейти к рассмотрению этих результатов, отметим еще такой момент при интерпретации гидродинамических данных. Для определения объема дренируемой залежи Щелкачев [3] предложил использовать, формулу, основанную на законе Гука для жидких и газообразных тел,

V=V_от/ΔPβ*,

где V_от - объем отобранного флюида из пласта; ΔР - падение пластового давления; β* - коэффициент упругоемкости пласта.

Уменьшение давления будет связано с проявлением процессов реалаксации, за счет которых флюид в отдаленной области влияния будет проявлять свойства не только жидкого, но и твердого тела, тем самым он будет обладать не только объемной, но и сдвиговой деформацией. Поэтому применение данной формулы возможно для гидродинамически изолированных коллекторов, площадь которых не превосходит радиус влияния, до которого флюид движется к скважине по гидродинамическим свойствам.

При пробной откачке из скв. 117 - первооткрывательницы Малореченского месторождения - было добыто 40 м³ нефти. За это время давление в скважине упало от 24,11 до 23,97 МПа. Следовательно, можно предположить, что район дренирования скважины является гидродинамически изолированным с приблизительной площадью распространения 0,7 км². На основе графика изменения давления с глубиной (рис. 1) вся территория исследуемого участка делится на системы и подсистемы [2]. По разработанной методике установилась возможная взаимосвязь между системами. В результате получена карта (рис. 2), характеризующая качественное влияние вязкоупругой обстановки на залежь нефти. На основе этой карты можно сказать, что система А характеризуется застойным режимом с незначительным влиянием системы В в северной части. На систему В в восточной части значительное влияние оказывает система D, которая делит подсистему d на две части со значительным перераспределением гидравлических уклонов, которые относительно выравниваются в подсистеме с. Система D характеризуется гидродинамически благоприятными условиями для сохранения нефти за счет застойного режима. Система С, характеризующаяся пьезомаксимумом за счет литологически непроницаемой части коллектора, оказывает крайне неблагоприятное влияние с упруговязкостной точки зрения на сохранение нефти. Причиной, препятствующей вымыванию нефти из этой зоны, является литологическое экранирование непроницаемыми породами.

Эксплуатация месторождения началась с 1985 г. С этого времени наблюдались следующие изменения в пласте. В южной части пласт оказался практически непроницаемым, за исключением зоны гидродинамической ловушки, где произошло увеличение пластового давления до 26 МПа и в добывающих скважинах появилась вода, аналогичная по макрокомпонентному составу вод, закачиваемых в пласт нагнетательными скважинами и проходящих через данную зону. В остальной части наблюдалось значительное снижение пластовых давлений до 16-20 МПа. В системе А образовалась большая депрессионная воронка, несмотря на закачку вод системой скважин, секущей систему с запада на восток на две части, чем и объясняется обводненность скважин в этой зоне. На юго-западе системы А наблюдается обводненность, связанная с подтоком пластовых вод. В системе С отмечается резкая обводненность скважин (до 60 %) за счет пластовых вод по сравнению с другими частями залежи. В южной части подсистемы d также наблюдается резкое продвижение пластовых вод с востока на запад. По данным эксплуатационного бурения за 1989 г. наблюдается отсутствие нефтяного контакта между залежами систем В и D имеющих разделяющую их зону и совпадающую с направлением движения вод.

На основе приведенного примера можно сказать, что применение вариационного принципа может дать значительный экономический эффект при разведке и эксплуатации месторождений при правильном выборе системы распределения потенциальной энергии в пласте.

В заключение можно сделать вывод, что предполагаемые причины движения подземных вод глубоких горизонтов, основанные на теории упругости, позволяют более правильно, понять закономерности движения подземных вод в гидросистемах, природу пластовых давлений, влияние движения вод на коллекторские свойства пород и теоретически обосновать существующие методы влияния движения подземных вод на залежи УВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности.- М: Высшая школа, 1990.

2. Дальберг З.Ч. Использование данных гидродинамики при поисках нефти и газа: Перевод с английского Кучерока Е.В.- М.: Недра, 1985.

3. Зорькин Л.М. Воды нефтяных газовых месторождений СССР.- М.: Недра, 1989.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика.- М.: Недра, 1987.

5. Основы гидрогеологии. Гидродинамика // И.К. Гавич, В.С. Ковалевский, Л.С. Язвин и др.- Новосибирск: Наука, 1983.

Abstract

Theoretical approach from thermodynemic positions for study of deep-seated fluids movements is regarded as well as main theoretical positions connected with it. Paticular attention is paid to specific character of beds liquids setting as phisical bodies showing properties of a hard body. Possibility of existence such a property of underground fluids as creeping filtration is theoretically proved, mathematical principles taken from viscoelasticity and hydrodynamic theory of underground waters and considering specific character of underground fluids are shown for working out more effective methods. Economic effectivness of worked out' methods use during prospecting and fields exploration is shown.

Рис. 1. Графики изменения давления с глубиной:

1 - линии графиков для нефти (а) и воды (б); 2 - барьеры

Рис. 2. Схематическая карта движения подземных вод Малореченского месторождения (масштаб 1:50 000):

1 - линия приведенного напора; 2 - направление движения теплового потока; 3-5 - части пласта: 3 - слабопроницаемая, 4 - непроницаемая, 5 - нефтеносная; 6 - скважины