Использование изотопа водорода-трития при разработке нефтяных месторождений
Ф.А. АЛЕКСЕЕВ, В.Н. СОЙФЕР, В.А. ФИЛОНОВ, Я.Б. ФИНКЕЛЬШТЕЙН
Для выбора оптимальных режимов закачки и определения промышленной эффективности поддержания пластового давления в нефтяном месторождении при помощи воды, закачиваемой в пласт, ставились опыты по изучению движения вод, меченных различными индикаторами [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].
Однако ни один из этих индикаторов не оказался эффективным. Потому мы попытались использовать для маркировки пластовых вод тритий в виде тритиевой воды.
Максимальная близость физико-химических свойств индикатора - тритиевой воды - и исследуемой системы - обычной воды - обеспечивает тритию решающее преимущество перед другими изотопами. Кроме того постоянная тенденция этого индикатора к дальнейшему разбавлению в природных условиях делает использование трития весьма привлекательным с точки зрения безопасности. Для оценки сорбционных свойств породы по отношению к тритиевой воде был поставлен опыт на модели пласта, представлявшей собой стеклянную трубку, заполненную кварцевым песком. Размеры трубки были: длина 50 см, диаметр 6 см, перепад давлений около 40 см вод. ст, расход оказался равным 1 мл/мин. В поток было введено 5 мл меченной тритием воды, общей активностью 1mCu; анализ отобранных проб воды на тритий показал (рис. 1), что передний «фронт» меченой порции воды в потоке очень крутой. Общее количество радиоактивности, смытой потоком, составляет свыше 60% от введенной в модель, погрешность измерения 10% и связана в основном с эффектами разбавления проб при анализе.
Прекрасная смываемость индикатора в этом опыте позволяла надеяться на успех эксперимента с тритиевой водой в промысловых условиях.
Измерительная техника
Для обнаружения трития был использован счетчик Гейгера-Мюллера.
В счетчик вводился водород, полученный из исследуемой воды, и по возрастанию счета определялось количество трития в пробе. Для уменьшения фона счетчик был помещен в мощный железный экран, а для защиты от космического излучения применялся защитный ковер счетчиков Гейгера-Мюллера, включенных на антисовпадения с измерительным счетчиком. Кроме того, измерительные счетчики Гейгера-Мюллера изготовлялись из особо чистых материалов.
Методика измерения трития в предварительно подготовленных образцах воды состояла из трех операций: электролитического обогащения, проводимого в случае необходимости; разложения воды и счета газообразных образцов водорода внутри чувствительного объема счетчика Гейгера-Мюллера.
Электролитическое обогащение. Первый этап - электрическое обогащение - состоял в том, что бидистиллят в объеме 10-16 мл подвергался исчерпывающему электролизу до конечного объема 0,4-0,6 мл, что увеличивало концентрацию трития в 7-10 раз, как это было установлено контрольными измерениями удельной активности образца до и после электролиза. Электролиз проводился на железо-никелевых электролизерах, охлаждавшихся проточной водой.
Охлаждение электролизеров и применение обратных холодильников на выхлопной трубе увеличивало коэффициент обогащения.
Увеличение пропускной способности электролитической установки было осуществлено применением батареи из десяти электролизеров, питаемых последовательно от обычного зарядного селенового выпрямителя.
Техника разложения воды. Для того чтобы обеспечить возможно полное разложение относительно малых количеств воды (до 0,2 г) и исключить эффекты фракционирования и изотопного разбавления водорода, разложение воды производилось с применением металлического цинка при температуре 400-500° С.
Методика разложения состояла в предварительной перегонке воды при комнатной температуре в свежеобезвоженную окись кальция (Н2О+СаО = Са (ОН)2) и дальнейшем разложении гидрата окиси кальция при t=500°С, перемешанного с цинковой пылью, связывающей кислород - Ca(OH)2+ Zn-> CaO + ZnO + Н2О.
Обе реакции протекали в эвакуированных реакторах из нержавеющей стали, вакуумно уплотненных тефлоновыми прокладками. Измерение b-активности образцов производилось в счетчике Гейгера-Мюллера внутреннего заполнения. Стекло, содержащее примеси К40, непригодное в качестве материала для счетчика с малым фоном, было заменено медной трубкой и тефлоновыми изоляторами.
Экспериментальные исследования. Опыт был поставлен на втором промысле Октябрьского нефтяного месторождения Грозненской области.
В структурном отношении Октябрьское месторождение представляет собой узкую антиклинальную складку, разделенную поперечным тектоническим нарушением на две части - западную и восточную. Нефть добывается из нефтеносных песчаников караганского и чокракского горизонтов третичного возраста; залежи нефти разрабатываются методом площадного заводнения. Кроме искусственно поддерживаемого пластового давления, на динамику пластовых вод оказывает существенное влияние естественный подпор вод.
На исследуемом участке промысла (рис. 2) расположены две нагнетательные скважины: скв. 135/11 и 40/11, вокруг которых имеется несколько эксплуатационных скважин. Через скв. 135/11 осуществляется закачка воды в XV пласт чокракского горизонта (см. рис. 2а), а через скв. 40/11 - в XI и XII песчаные пласты караганского горизонта (см. рис. 2б). Песчаники однородные по минералогическому составу отмечаются неравномерной плотностью и пористостью по площади. В пределах 11-го промыслового участка песчаники XI и XII пластов сильно сцементированы и содержат глинистые прослои. Среднее значение пористости 20%. XV пласт чокракского горизонта - однородный, сильно сцементированный песчаник. Среднее значение пористости около 20%. Мощность пластов по промысловым данным изменяется в пределах от 6 до 10 м.
Первая закачка тритиевой воды в пласт была проведена через скв. 135/11. Нагнетательная скв. 135/11 расположена в центре (см. рис. 2), а наблюдательные скв. 73/11, 89/11 и 60/13 - в вершинах треугольника. Расстояния от нагнетательной скважины до наблюдательных равны соответственно 115, 80 и 150 м.
Результаты гидрогеологического прослушивания эксплуатационных скважин, тяготеющих к скв. 135/11, показали, что наиболее активно реагируют на закачку жидкости в XV пласт через скв. 135/11 скв. 73/11, 89/11 и 60/13. Увеличение дебита наблюдалось: в сив. 73/11 через 45 дней и в скв. 89/11 и 60/13 через 15 дней.
На основании этих данных можно было рассчитывать на быстрое продвижение водного индикатора к наблюдательным скважинам.
Меченная тритием вода была закачана в XV пласт тремя порциями с двухчасовым интервалом.
Суммарная радиоактивность тритиевой воды составила 3 Сu; каждая из трех порций меченой воды имела объем около 1 м3 и среднюю удельную активность 1 mCu/мл. В интервалах между введением меченых объемов воды в пласт нагнеталось в течение 2-3 час. около 20 м3 воды. Такой режим закачки индикатора обеспечивал достаточную для анализа концентрацию трития на выходе.
Обработка и интерпретация результатов. Начальное распределение концентрации водного индикатора, задаваемого конкретным режимом разбавления и закачки, меняется во времени.
Причинами этого изменения являются процессы диффузии в потоке (самодиффузии в случае применения трития) и гидродинамического перемешивания вследствие неоднородностей коллектора, влияния соседних нагнетательных скважин и других возможных факторов. Диффузия в связанную воду не вносит заметного разбавления вследствие обратной диффузии в поток. Для пор среднего радиуса (10-20 m) коэффициент диффузии D=5*10-5 см2/сек, а длительность процесса диффузии в порах
tэфф = r2 / D = 10-2 сек.
Действие этих факторов приводит к снижению начальной концентрации водного индикатора. Разбавление индикатора может быть оценено по суммарному количеству индикатора, прошедшему через наблюдательные скважины.
По времени прихода индикатора к наблюдательным скважинам может быть построено поле скоростей (в случае применения трития) и определены потоки между рассматриваемыми скважинами, которые можно считать пропорциональными суммарным радиоактивностям вод, поступивших в наблюдательные скважины. Потери суммарной радиоактивности следует отнести за счет нарушения баланса между закачиваемым и отбираемыми объемами воды.
На рис. 3 приведены диаграммы, иллюстрирующие изменение радиоактивности проб вод во времени. Из диаграмм следует, что меченная тритием вода пришла ко всем наблюдательным скважинам. Скорости движения составили 40 м/сутки в скв. 73/11, 12 м/сутки в скв. 89/11 и 13 м/сутки в скв. 60/13.
Распределение активностей вод, прошедших через скважины, показало, что через скв. 73/11 прошло около 60%, через скв. 89/11 и скв. 60/13 по 20% всего расхода, что указывает на весьма хорошую сообщаемость между скв. 135/11 и 73/11 и относительно худшую между скв. 135/11 и 89/11, 135/11 и 60/13.
Различия в скоростях продвижения меченой воды находятся в связи либо с меньшей эффективной мощностью XV пласта в направлении к скв. 73/11, что и имеет в действительности место, либо с ухудшением проницаемости песчаника в направлении к скв. 89/11 и 60/13. Суммарная радиоактивность вод, прошедших через скважины, определялась графическим интегрированием. Из кривых изменений радиоактивности (см. рис. 3) видно, что к скважинам пришли три сильно размытые волны радиоактивностей. Увеличение интервала между волнами в несколько десятков раз по сравнению с временем закачки может быть объяснено как влиянием подпора естественных вод и влиянием других нагнетательных скважин, так и остановкой нагнетательной скв. 135/11 во время введения тритиевой воды. Необходимо отметить, что оценка потоков носит приближенный характер из-за отсутствия расходомеров на наблюдательных скважинах. Можно предположить также, что отмеченные на кривых три пики повышенной радиоактивности отвечают подходу пластовых вод по пропласткам различной проницаемости, а не трем волнам закачанных в пласт меченных тритием вод.
Оценка степени разбавления водного индикатора показала, что концентрация трития снизилась с 1 mСu/мл до 10-4 mCu/мл.
Аналогичные исследования были проведены на втором кусте скважин (рис. 2б) (скв 40/11 нагнетательная и скв. 118/11, 125/11, 103/11, 46/13 и 83/13 наблюдательные), где только одна скв 83/13 эксплуатирует два нефтеносных горизонта - XI и XII пласты, а все остальные наблюдательные скважины эксплуатируют только XI пласт.
Во втором опыте меченая вода пришла к скв. 46, 125 и 118 соответственно через 3,5 и 4 суток. В скв. 83/13 и 103/11 меченая вода не обнаружена даже через 2 месяца после начала опыта (рис. 4). Последнее объясняется, вероятно, тем, что обе скважины расположены вблизи от линий крупных тектонических нарушений. Разбавление меченой воды благодаря самодиффузии и гидродинамическому перемешиванию во втором опыте оказалось равным 104 раз.
Из сказанного следует сделать вывод, что применение трития как водного индикатора является эффективным и, пожалуй, пока единственным средством исследования движения пластовых вод. При помощи тритиевой воды можно определять связи между скважинами и пластами (зоны перетока), поля истинных скоростей, некоторые физические свойства коллекторов и фильтрации вод в инженерной гидрогеологии.
Применение трития особенно ценно благодаря относительной безопасности работы с ним из-за мягкого b-излучения и возможности разбавления в больших объемах воды.
Введение тритиевой воды в скважину можно производить одновременно с другими исследованиями, так как мягкое b-излучение трития не действует на приборы радиоактивного каротажа. Применение тритиевой воды не требует остановки эксплуатационных скважин.
При оценке перспектив использования трития для решения промышленных задач в добыче нефти и газа к сказанному выше следует добавить, что при крупных размерах месторождений и медленном перемещении контура нефтеносности использование трития для контроля за перемещением вод является трудоемким процессом и не обеспечивает быстрое получение результатов.
Тритий может и должен получить широкое применение в практике нефтяной промышленности при установлении перетоков жидкости из одного пласта в другой и при изучении в значительной мере уже разработанных месторождений или отдельных нефтяных залежей.
Что же касается контроля за движением вод в крупных месторождениях, таких как девонские месторождения Волго-Уральской области, то весьма надежным средством может оказаться методика измерения естественного трития, образующегося под влиянием космики и закачиваемого в пласт вместе с водой для поддержания пластового давления. Правда, точность измерения скорости подхода вод будет находиться в пределах 0,5-1,0 лет, но для крупных месторождений типа Ромашкино и Шкапово получение оценок скоростей продвижения вод с такой точностью может оказать большую помощь при разработке этих месторождений. Для этих целей требуется аппаратура, позволяющая измерять содержание трития с точностью до 10-18 т/н (атомов трития к атомам протия). Такая аппаратура может быть создана.
Ин-т геологии и разработки горючих ископаемых АН СССР
Рис 1. Модельный опыт
а - карта разработки XV пласта (1-ый опыт); б – карта разработки XI пласта (2-ой опыт); 1 – нагнетательные скважины; 2 - эксплуатационные скважины; 3 – линии изогипс; 4 - линии сброса.
Рис. 4.
