К оглавлению	УДК 543.53:(556.33 + 553.98)
	© Д. Б. Пинкензон, М. С. Макаров, 1991

О природе радиогеохимических эффектов на водонефтяном контакте

Д. Б. ПИНКЕНЗОН, М. С. МАКАРОВ (ВолгоградНИПИнефть)

При разработке нефтяных месторождений используются данные о радиогеохимических эффектах (аномалиях) для контроля текущего положения водонефтяного контакта (ВНК), выделения обводненных прослоев, определения затрубного движения жидкости, отложений гипса и т. п. Однако природа этих эффектов, выявляемых с помощью гамма-каротажа (ГК), изучена недостаточно.

Рассмотрим радиогеохимические эффекты (РГХЭ) и возможные причины их возникновения на примере Бахметьевско-Жирновского и Кудиновского многопластовых нефтегазовых месторождений Нижнего Поволжья. Залежи первого приурочены к песчаникам тульского и бобриковского горизонтов, залегающих на глубине 800-1200 м. Нефти нафтеново-метановые с содержанием акцизных смол 6-28 %, урана около 1 мкг/л и радия 3 пг/л [5]. Пластовые воды хлоркальциевые с общей минерализацией 100-150 г/л значительно обогащены радием (до 400 пг/л). Из пласта нефть вытесняется минерализованными или пресными аллювиальными и гидрокарбонатно-кальциевыми водами с незначительным содержанием урана (~ 0,1 мкг/л) и радия (~ 3пг/л). Залежи Кудиновского месторождения расположены в песчаниках и алевролитах пашийского и воробьевского горизонтов, залегающих на глубине 2800-3200 м. Нефти метановые, парафинистые, малосернистые с содержанием акцизных смол 1,2-16 %. Пластовые воды хлоркальциевые с общей минерализацией 220-240 г/л являются основным вытесняющим агентом при разработке залежей.

Установлено, что радиогеохимические аномалии (РГХА) на обоих месторождениях существенно отличаются по своим характеристикам. Так, на Бахметьевско-Жирновском они имеют малую амплитуду (1,5-5мкР/ч) и тяготеют к интервалам промытой части пластов и переходной водонефтяной зоне. Кроме того отмечено, что аномалии, появившись на ВНК, обычно «исчезают» при уходе фронта вытесняющей воды. При послойном вытеснении та же тенденция наблюдается для каждого прослоя. Аномалии Кудиновского месторождения значительно более интенсивны (7-90 мкР/ч) и не уменьшаются во времени. Зарегистрированы они и против непроницаемых (глинистых) отложений. Следует отметить, что на обоих месторождениях РГХА наблюдаются как в перфорированных, так и неперфорированных интервалах [1].

Пример РГХА, регистрируемых в интервале залегания продуктивного пласта на Бахметьевско-Жирновском месторождении, иллюстрируют данные исследования скв. 551 Бахметьевской (рис. 1).

Объектом изучения являлся пласт Б₁ тульского горизонта (1004-1015 м), вскрытый в пределах газовой шапки нефтегазовой залежи. В процессе разработки газ вытеснялся нефтью, а затем пластовой водой. Первоначально РГХА была зарегистрирована 22.10.1970 г. в интервале 1005-1006 м, приуроченная к нижней границе переходной зоны ВНК, о чем свидетельствуют данные ИННК, полученные в тот же день. Спустя 2,5 месяца эта аномалия исчезла. Значительно позже (09.09.1974 г.) в скважине зафиксирована другая РГХА в интервале 1001,4-1003,6 м, который к моменту проведения ГК также был обводнен. Аналогичные аномалии зарегистрированы и по другим скважинам месторождения (скв. 75 Жирновская, скв. 442, 461, 558, 559, 564, 599 Бахметьевские) вблизи текущего положения ВНК в условиях наиболее полного вытеснения нефти, характеризующегося наличием фазы капиллярной пропитки.

В качестве РГХЭ Кудиновского месторождения приведены аномалии, зафиксированные в скв. 137 Кудиновской (рис. 2, а), вскрывшей продуктивный пласт песчаника пашийского горизонта (2900- 2910 м). РГХА же отмечены в значительно большем интервале и в том числе против аргиллитов (2896-2899,4; 2912-2918 м), что может быть объяснено заколонным перетоком пластового флюида или отложением радиоактивного материала на стенке колонны. Аналогичные аномалии зарегистрированы в скв. 30, 36, 49, 70, 208 Кудиновских спустя значительное время после обводнения эксплуатируемых объектов. По данным временных замеров ГК (скв. 208 Кудиновская) до и после термогазохимического воздействия и длительного нагнетания пресной воды установлено, что интенсивность РГХА не уменьшилась.

Анализ полученных данных о РГХА позволил критически отнестись к некоторым представлениям об их природе. Известны две основные гипотезы их возникновения. Первая из них объясняет природу гамма-аномалий, возникающих при обводнении нефтяных пластов, миграцией урана. При этом допускается, что растворенный в пластовых водах уран может в определенных условиях осаждаться или адсорбироваться тяжелыми фракциями нефти [2]. Вторая связывает природу всех РГХА с миграцией радия и его изотопов, первоначально находящихся в пластовых водах. Согласно этой гипотезе аномалии появляются в изменившихся геохимических условиях, благоприятствующих осаждению радия вместе с барием (кальцием) или его адсорбции [4].

Критический анализ первого положения показывает, что с его помощью трудно объяснить количественную сторону явлений, поскольку сам уран практически не является гамма-излучателем. Гамма-излучение в урановом ряду связано с семейством радия, а радий входит в радиоактивное равновесие с осажденным ураном через 1 млн. лет (М.И. Пруткина, В.Л. Шашкин, 1975 г.). Время же разработки любой залежи по сравнению с этим периодом ничтожно мало. Вторая гипотеза, связывающая РГХА с образованием радиеносных сульфатов бария (кальция) или адсорбцией радия, позволяет объяснить многие характеристики РГХА Кудиновского месторождения и, в частности, их стабильность. Так, сульфаты бария (кальция) являются труднорастворимыми соединениями, а десорбция радия возможна только под действием концентрированных кислот в течение длительного времени (С.Е. Бреслер, 1957 г.). Определенное значение в слабой изменчивости во времени амплитуд аномалий, обусловленных образованием радиеносных сульфатов бария (кальция), имеет и то, что такие соединения относятся к плохим эманаторам (коэффициент эманирования менее 5 %). Слабое эманирование способствует тому, что радон и гамма-излучающие продукты его распада (RaB и RaC) удерживаются на месте осаждения радия при последующей фильтрации любой жидкости. Однако эта гипотеза не может раскрыть причины возникновения нестабильных во времени аномалий на ВНК, наблюдаемых в скважинах Бахметьевско-Жирновского месторождения. На ряде других месторождений страны зарегистрированы аномалии, амплитуда которых после возникновения достаточно быстро уменьшается до определенного уровня (О.К. Макаров, Р.Ш. Хайретдинов, 1963 г.), что также не может быть объяснено десорбцией радия.

Учитывая, что изложенные положения не могут убедительно объяснить возникновение нестабильных РГХА (вследствие переоценки роли урана и значимости процесса десорбции радия), авторами была рассмотрена возможность образования таких эффектов в связи с перераспределением радона в пласте между нефтью и вытесняющей ее пластовой водой. Установлено, что эффекты радоновой природы на ВНК могут создавать РГХА, выявляемые существующей аппаратурой. Так, в скв. 558 Бахметьевской в пласте А₂, разрабатываемом без заводнения (т.е. с неизменной геохимической обстановкой), зарегистрирована РГХА на текущем ВНК (см. рис. 2, б).

Для обоснования новой гипотезы рассмотрим как должна измениться интенсивность гамма- излучения 1 нефтенасыщенного пласта с низким содержанием радия в нефти после того как все его поры заполнятся пластовой водой со значительно более высоким содержанием радия (в условиях, когда адсорбцией радия в процессе промывки можно пренебречь). Пусть пласт имеет эффективную пористость 20 % и нефть в нем вытесняется пластовой водой с характерным для многих месторождений содержанием радия 300 пг/л. Расчеты DI с использованием зависимости, приведенной в работе [3], показывают, что обводнению пласта будет соответствовать РГХЭ с амплитудой I- 1 мкР/ч. Полученное значение РГХЭ мало, но при тщательном проведении гамма-каротажных работ этот эффект можно зарегистрировать. Следовательно, в определенных условиях сама по себе смена флюида в пласте может приводить к появлению против него изменяющейся во времени РГХА. В связи с установленным наличием оторочки пластовых вод с высоким содержанием радия (до 3000 пг/л) вокруг нефтяных залежей [4] смена флюида может проявляться достаточно четким гамма-эффектом (до 10 мкР/ч).

Рассмотренный эффект изменения амплитуд аномалий будет усиливаться перераспределением радона между радиеносной водой и нефтью в процессе фильтрации, так как вода в пласте в среднем движется с большей скоростью, чем нефть. Основную роль при этом играет то обстоятельство, что радон растворяется в нефти значительно лучше, чем в воде. По характеру проявления описываемый процесс подобен адсорбционному при движении радиеносной радоновой воды через неподвижный нефтяной фильтр, на котором накапливается только радон. Кинетика этого процесса может быть описана дифференциальным уравнением:

где с_н, с_в - объемная концентрация радона в нефти и воде, пА/кг;- коэффициент, показывающий какая часть атомов радона переходит в единицу времени из воды в нефть; - коэффициент распределения радона между нефтью и пластовой водой (в реальных пластовых условияхсоставляет 100-150);-постоянная распада радона, ч-¹; t - время распада радона, ч.

Решая это уравнение для случаев, когда с_в= const и с_н- 0 (t= 0), находим, что относительная концентрация радона в нефти должна изменяться по закону:

При этом для достаточно больших значений t (более 10 сут):

Ориентировочные значения параметра  определяли экспериментально на модели, представляющей собой сетку, покрытую солидолом и находящуюся в соприкосновении с радоновой водой в течение суток. Установлено, что для нефтенасыщенности, равной 15%, параметр  можно охарактеризовать значением около 0,12 ч-¹. Это позволило в расчетах гамма-эффектов перераспределения радона использовать с_н/с_в равное 13.

В расчетах амплитуды РГХЭ учитывали эффективную пористость пласта и коэффициент его нефтенасыщенности в предположении, что соотношение нефти и воды в продуктивном пласте может существенно измениться за время t, превышающее 10 сут. При этом определяли относительную интенсивность гамма-излучения пласта, заполненного нефтью и водой, приняв за единицу интенсивность изучения пласта при наличии в его эффективных порах только пластовой воды. В результате установлено, что максимальные значения гамма- эффектов радоновой природы могут на порядок превышать эффекты от радия пластовых вод, а следовательно, и уверенно регистрироваться в процессе гамма-наблюдений за изменением положения ВНК в разрезе добывающих скважин. На начальном ВНК эффекты радоновой природы регистрироваться стандартной аппаратурой ГК не будут, так как в неразрабатываемой залежи толщина нефтенасыщенной части с равновесным радоном мала.

Рассмотренные данные о зависимости интенсивности гамма-излучения от содержания радия в пласте в условиях, когда образующийся из растворенного радия радон в относительно больших концентрациях накапливается в нефти, хорошо объясняют характер изменения нестабильных гамма-аномалий, возникающих на текущем ВНК. При подходе радиеносных вод аномалия относительно быстро растет до определенного уровня, затем (с некоторого соотношения объемов нефти и воды в пласте) она начинает уменьшаться.

На примере изучения нестабильных РГХА Бахметьевско-Жирновского месторождения установлено, что их амплитуда при прочих равных условиях зависит от скорости вытеснения нефти водой. Отмечено, что более длительный контакт радиеносной пластовой воды с нефтью, остающейся за фронтом вытеснения, сопровождается четкими РГХА. При высоких скоростях (прорывном вытеснении) эти аномалии как правило не фиксируются.

Таким образом, наличие нестабильных РГХА характеризует процесс фильтрации, который обусловливает наиболее полное вытеснение нефти, а ее отсутствие - прорыв вытесняющего флюида. Эта особенность может быть использована для исследования фильтрационных процессов при разработке залежей. Изложенное о природе нестабильных РГХА также представляет практический интерес в целях выделения зон смешения подвижной нефти и вытесняющей воды и фиксации (при систематических гамма-каротажных наблюдениях) начала и конца обводнения всего пласта или отдельных его прослоев.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Использование радиогеохимического эффекта для контроля за заводнением газонефтяных залежей / Д.Б. Пинкензон, М.С. Макаров, И.М. Мустафаев, С.Е. Стяжкина,- Труды ВолгоградНИПИнефть,- 1977,- Вып. 29.-С. 8-13.

2. Комаров В.Л., Кошляк В.А., Усманов М.Г. Аномальные кривые гамма-метрии и их возможная связь с динамикой разработки нефтяных месторождений.- Труды УфНИИ.- 1969,- Вып. 18,-М.: Недра,-С. 77-91.

3. Определение эффективной пористости пластов с использованием радоновой жидкости / М.С. Макаров, Г.Ф. Новиков, Н.П. Гребенников, А.С. Пестриков.- Волгоград: Нижневолжское книжное изд-во.- 1972.- Вып. 17.- С. 62-72.

4. Соколовский Э.В., Сааков С.А. Использование данных о естественной радиоактивности пластовых вод для определения местоположения водонефтяного контакта.- М.: Недра.- С. 49-52.

5. Твердова Р.А., Федина В.В. Уран в недрах Нижнего Поволжья // Геохимия,- 1974,- № 7,- С. 1045-1049.

Abstract

Data on radiogeochemical effects revealed by gamma logging in the course of development of oil-gas pools of the Bakhmetyevsko-Zhirnovsky and Kudinovsky fields in the Lower Volga region are discussed. It has been shown that unstable in time gamma-effects occurring in the zone of the present-day oil-water contact can be explained by the migration of a significant part of radon from radium- bearing formation water to residual oil. Thereby, the migration of radon to oil is more intensive in case of the low rate of water filtration (capillary imbibition).

Рис. 1. Нестабильные радиогеохимические гамма-аномалии (скв. 551 Бахметьевская).

Диаграммы: 1 - НГК, 2-5 - ГК, 6-7 - ИННК; 8 - интервалы возникновения РГХЭ; 9 - песчаник; 10 - глинистый песчаник; 11 - аргиллиты

Рис. 2. Радиогеохимические гамма-аномалии, зарегистрированные в скв. 137 Кудиновской (а) и скв. 558 Бахметьевской (б).

Диаграммы: 1 - НГК, 2 - ГК, 3 - HKT; 4 - интервалы возникновения РГХЭ; 5 - песчаник; 6 - аргиллиты