К оглавлению	УДК 504.55
	© в. ф. Котлов, Р. Н. Юдина, 1991

О системном моделировании изменения геологической среды в результате бурения скважин на нефть и газ

В. Ф. КОТЛОВ, Р. Н. ЮДИНА (ВНИИгеоинформсистем)

При бурении скважин происходит техногенное воздействие на блоки геологической среды (ГС) в разных масштабах. В процессе поиска месторождений изменения состава, свойств, состояния пород, подземных вод и других компонентов ГС отмечаются в небольших объемах породных массивов. Их оценивают как явления, мешающие проводить какой-либо технологический цикл. Пока скважина не достигает промышленных горизонтов, эти изменения происходят в верхней зоне осадочного чехла и не оказывают влияния на гидродинамические условия залежей нефти и газа. Когда скважина внедряется в продуктивные горизонты и покрышки, могут наблюдаться такие явления, как фонтанирование, выбросы, перетоки нефти, газа, воды в вышележащие проницаемые пласты и их излив на дневную поверхность. В зависимости от пластовых давлений и предпринятых мер этот процесс может достигать громадных размеров (В.Ф. Горбачев, 1984 г.). В результате снижается пластовое давление, сокращаются запасы, изменяется положение ВНГК, т. е. нарушаются гидродинамические условия залежи.

Одним из первых процессов, возникающих при бурении скважин, является переток подземных вод из одних горизонтов в другие. Причинами его служат: отсутствие каких-либо изоляционных мостов между различными водоносными горизонтами или их неправильное положение, нарушение их герметичности, а также затрубных колец, обсадных колонн, аварийные ситуации. Перетекание высокоминерализованных подземных вод может происходить по стволу скважины долгие годы после их ликвидации, вызывая постепенное загрязнение пресных подземных вод. Перетоки способствуют развитию техногенного карста, особенно в солях и соленосных отложениях.

Изливание и фонтанирование скважинных вод вызывает загрязнение почв, пород и грунтовых вод. Если учесть, что на стадии поисков и разведки на каждой площади бурится несколько скважин, сооружаются амбары для сброса технической воды, дегазации буровых растворов и пр., то вполне очевидно загрязнение зоны аэрации и подземной. гидросферы за счет проникновения на глубину различных рассолов, нефтепродуктов, нефтей и др. Загрязнение ГС буровыми растворами отмечается на протяжении всего периода бурения и имеет достаточно существенное значение, поскольку они содержат в больших количествах разнообразные химические вещества [2, 3, 5].

При разведочном бурении на нефть широко применяется интенсификация притоков, основанная на расширении трещинных и поровых коллекторов путем закачки в пласт значительных объемов (до 100 м³ и более) соляной кислоты с концентрацией 10-20 %, которая активно растворяет окружающие породы и создает вокруг призабойной части скважины трещинно-карстовые полости (И.Н. Шестов, 1988 г.). Техногенный карст в данном случае играет положительную роль, однако он способствует интенсификации перетоков межпластовых вод и снижению их запасов.

Для того чтобы получить наиболее полную картину перечисленных техногенных воздействий и изменений природной среды в их взаимовлиянии, необходимо построить ряд информационных моделей, представляя интересующую нас часть ГС в виде системного объекта. Системный объект выделяется в ГС как пространственно-ненулевая ее часть с операционально фиксированными пространственно-временными границами. Его внешнюю среду составляют соседние литосферные блоки, геофизические поля, поверхностная гидросфера, атмосфера, биота и техносфера.

Геосистемный объект (ГСО) включает в себя упорядоченный набор множеств: , где Z - множество внутренних целей, S - структура, F - функционирование (совокупность процессов, протекающих в физическом времени), Е - эволюция (в геологическом времени). Построение моделей функционирования ГСО позволяет учесть все его реальные изменения, которые представляют интерес при решении задач рационального использования и охраны природной среды. Ранжируя эти изменения по их значимости, вероятности появления, величине экологического или экономического ущерба, можно составить их приоритетный ряд и наиболее важным уделить основное внимание. Однако нельзя забывать, что наличие второстепенных элементов может помочь при оптимизации режимных наблюдений.

Техногенную составляющую среды ГСО можно представить в виде информационной модели. В общем виде можно выделить десять типов техногенного воздействия: 1) механическое (М), 2) динамическое (Д), 3) статическое (С), 4) инфильтрационное (И), 5) гидродинамичевкое (ГД), 6) тепловое (Т), 7) электрическое (Эл), 8) неорганическое химическое (НХ), 9) органическое химическое (ОХ), 10) радиохимическое (РХ). Перечисленные воздействия воспринимаются различными компонентами природной среды, среди которых породы, межпластовые воды, грунтовые воды, почвы, поверхностные воды и ландшафты в наибольшей мере подвержены при бурении скважин техногенному воздействию. Именно их изменение приводит к заметному экологическому и экономическому ущербу.

Бурение скважин включает ряд технологических этапов [1, 4], среди которых выделяются: строительство и эксплуатация буровой, собственно бурение скважин, определение ее герметичности, вскрытие пласта, очистка ствола скважины, ее опробование, интенсификация притоков флюидов, опытная эксплуатация, консервация или ликвидация скважин. Согласно этому была построена информационная модель техногенного воздействия, оказываемого на взаимосвязанные между собой компоненты природной среды (рис. 1). На каждом этапе воздействие характеризуется различными показателями (прямыми и косвенными), что позволяет в любом случае осуществить количественную оценку.

Для одной буровой технические нормы отвода земельного участка составляют 0,016-0,035 км² (без подъездных путей). В пределах площади осуществляется механическое воздействие, выражающееся в нарушении почвенного и грунтового слоев, растительности, создании прудов-отстойников, обваловании участка и т.п. Динамическое воздействие связано с работой различных двигателей, инфильтрационное обусловлено главным образом созданием прудов-отстойников и хранением в них буровых растворов, промышленных стоков, нефтей и др. В свою очередь это вызывает тепловое воздействие и загрязнение компонентов природной среды.

Сам процесс бурения влияет только на породы и межпластовые воды. Прежде всего, осуществляется механическое воздействие, вследствие которого в толще пород образуется пространство, и возникает статическое воздействие, проявляющееся в разуплотнении пород. При этом происходит и тепловой эффект, т. е. бурение скважин нарушает термический режим. Работа различных механизмов оказывает динамическое влияние. При использовании промывочных жидкостей часть их проникает в толщу пород, загрязняя их и подземные воды. В зависимости от содержания в буровых растворах различных веществ характер загрязнения может быть органическим и неорганическим.

В целях определения герметичности скважин в них под давлением закачиваются радиоактивные изотопы, В случае отсутствия герметичности эти изотопы проникают в затрубное пространство, т.е. в толщу пород и подземные воды, вызывая их радиохимическое загрязнение.

Этап вскрытия пласта можно разделить на три части. Перед перфорацией для наиболее точного определения объекта используют метод радиоактивного репера, когда пулей выстреливают в толщу пород. При этом осуществляется динамическое и радиохимическое воздействие. Перфорация проводится различными способами, которые оказывают либо динамическое, либо гидродинамическое воздействие. После перфорации происходит закачка в породы различных пен (химическое влияние).

Поскольку при бурении и других процессах в скважинах присутствуют различные посторонние жидкости, необходима очистка ее ствола, которую осуществляют путем фонтанирования нефти и газа. В результате этого загрязняется поверхность участка буровой. В зависимости от состава фонтанирующих жидкостей может происходить как неорганическое, так и органическое загрязнение.

При опробовании скважины создают большие депрессии на пласт. В зависимости от применяемого метода могут возникать динамические или гидродинамические воздействия на породы и подземные воды.

Для интенсификации притоков флюидов в скважины используют разнообразные методы, в зависимости от которых будут возникать соответствующие воздействия. Однако в любом случае они направлены на то, чтобы увеличить фильтрационно-емкостную способность пород, т. е. вызвать их разуплотнение. По существу, итоговое воздействие имеет статический характер.

При опытной эксплуатации происходит некоторое снижение пластовых давлений, а следовательно, на породы оказывается статистическое воздействие. Откачка нефтей, а также попутных вод требует их хранения на поверхности. Вследствие их постепенной фильтрации возникает загрязнение компонентов природной среды.

Действия по консервации или ликвидации скважин не оказывают на ГС большого влияния. В случае абсолютной герметичности скважин тяжелый глинистый раствор, которым ее заливают, остается на месте. Однако в случае ее разгерметизации или нарушения цементных изолирующих мостов начинается, как правило, самоизлив из скважины межпластовых вод, нефтей, попутных вод, из-за чего происходит химическое загрязнение почв, пород, поверхностных и грунтовых вод, нарушение их термического режима.

На основе модели техногенного воздействия и анализа многочисленной литературы применительно к гумидным и аридным областям с развитой зоной аэрации разработана информационная модель изменения ГС. Она включает элементарные и комплексные изменения твердой и жидкой составляющих ГС (т. е. пород и подземных вод), почвы, поверхностных вод и приземного слоя атмосферы, а также такие характеристики общего характера, как нарушение общего экологического равновесия и деградация природного ландшафта (таблица).

При моделировании изменений природной среды в каждой изучаемой толще горных пород должны быть выделены четыре основные зоны: аэрации (спорадического залегания грунтовых вод), первого от поверхности выдержанного водоносного горизонта, напорных вод до продуктивного горизонта, залегания продуктивных толщ. Это в общем виде отражает структуру ГСО; его же функционирование может быть описано в виде множеств процессов и причинно-следственных связей между ними, что находит отражение в информационной модели.

Информационная модель изменения ГС состоит из четырех подмоделей, отражающих разный характер изменений различных ее блоков вокруг скважины. Каждая подмодель состоит из двух уровней. Первый уровень отражает те изменения ГС, которые происходят непосредственно в результате того или иного воздействия. Графически он изображен в виде ориентированного графа, где технологические воздействия обозначены прямоугольниками с буквами, соответствующими тому или иному типу воздействия (рис. 2). В случае одинаковых изменений, вызываемых двумя разнотипными техногенными воздействиями, эти воздействия объединялись в одном прямоугольнике, где буквы, их символизирующие, помещены через запятую. Поскольку нами не прослеживались отдельно органическое и неорганическое загрязнение, так как это возможно сделать только в конкретной ситуации, показывалось общее химическое воздействие (х). Радиохимическое воздействие в силу своей специфики рассматривалось как самостоятельное.

Буквы с цифрами символизируют те изменения, которые могут произойти в ГС и взаимосвязанных с ней средах (см. таблицу). Последующие изменения, которые по цепочке оказываются первыми, настолько разнообразны и взаимосвязаны, что не представляется возможным всю эту пеструю картину выразить в виде орграфа, в особенности для первой модели. Поэтому второй уровень, отражающий последующие изменения, описывается в тексте.

Первая модель представляет изменения, происходящие в зоне аэрации, на границе ее с внешней средой, в почве, поверхностных водах, приземном слое атмосферы за счет всех поверхностных техногенных воздействий, возникающих прежде всего в результате строительства и эксплуатации буровой, а также при очистке ствола, скважины, опытной эксплуатации и после ликвидации или консервации скважины, когда происходит самоизлив из скважины подземных вод или нефтей. Такое соединение в одну подмодель разно- этапных (по времени функционирования скважины) воздействий обусловлено тем, что характер их последствий и область влияния одинаковы. Такой же принцип был применен при формировании других подмоделей. Второй уровень данной подмодели характеризуется следующими отношениями (Знак «+» обозначает увеличение значения показателя, знак «-» его уменьшение)

Второй блок в ГС непосредственно примыкает к стволу скважины. В подмодели, описывающей изменение этого блока, учтены процессы, происходящие в ходе бурения скважины и при определении ее герметичности. Первоначальные изменения ГС охватывают незначительное пространство вокруг скважины. Второй уровень этой подмодели следующий:

В третью подмодель включены воздействия, которые возникают при вскрытии продуктивного пласта и интенсификации притоков флюидов. Как и ранее, здесь разнообразные техногенные воздействия, которые вызывают в одних случаях (Т, X) похожие изменения в ГС, в других (ГД) - отличные. Второй уровень подмодели:

Наибольший объем ГС охватывает техногенные изменения, происходящие при опробовании и опытной эксплуатации скважины и составляющие четвертую подмодель. Однако в отличие от предыдущих подмоделей воздействия здесь не столь разнообразны. На ГС оказывается главным образом гидродинамическое, динамическое и статическое техногенные воздействия. Среди вторичных процессов могут наблюдаться:

Из всей модели видно, что наибольшие изменения в связи с созданием скважины происходят в верхней, приповерхностной, зоне. Многие процессы нарушают общее экологическое равновесие, сложившееся в пределах данной территории. Следует отметить, что в модели не прослежены изменения газового компонента природной среды и тонкие механизмы трансформации подземных и поверхностных вод. Объем ГС, подвергающийся поверхностным техногенным воздействиям, не является таким уж большим, как на глубине в области залегания продуктивных горизонтов, где откачивают громадные объемы флюидов и подземных вод, несмотря на гораздо меньшее число типов техногенных воздействий и последующих изменений ГС. В этом блоке основные негативные последствия деятельности человека сводятся к увеличению проницаемости толщ пород, развитию в них карстовых процессов, а также к сейсмическим явлениям.

Вдоль ствола скважины происходит меньше изменений, однако здесь существуют свои особенности. В зоне аэрации отмечаются только две основные цепочки:  и  (x5 и у2 - первичные изменения ГС, вызываемые соответственно статическими и химическими воздействиями).

В целом же в данной подмодели взаимосвязь между этими и другими элементами более сложная. Выделяемый здесь итоговый процесс F₉ (деформация и нарушение колонны скважины) может сказаться и на процессе дальнейшего бурения, и на последующих стадиях.

Наименьшее число типов техногенных изменений наблюдается в случае вскрытия продуктивного пласта и интенсификации притоков флюидов. Необходимо отметить, что последнее вызывает меньшее влияние по сравнению с аналогичными действиями при промышленной эксплуатации скважины. Особенностью данного блока ГС является то, что динамические воздействия вызывают в нем импульсное изменение напряжений в массиве пород, что приводит к увеличению трещиноватости и уменьшению плотности пород, а эти изменения ведут в свою очередь к повышению проницаемости массива, на что и нацелены основные воздействия при интенсификации притоков.

Разные подмодели, описывающие техногенные изменения одного блока ГС, могут быть состыкованы по общим элементарным процессам. Подмодели, описывающие соседние блоки ГС, могут быть объединены при установлении и трансляции воздействий (изменений) из одного блока в другой.

Предлагаемые информационные модели позволяют определить перечень показателей, описывающих состояние ГС, установить необходимые для их определения методы и средства, а также создать наиболее оптимальный комплекс исследований динамики данного геологического объекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Габриэлянц Г.А., Пороскун В.И., Сорокин Ю.В. Методика поисков и разведки залежей нефти и газа.- М.: Недра.- 1985.

2. Казарян В.В., Емельянов Г.И., Антонов В.А. Оценка динамики ореолов засоления вод по данным электроразведки // Региональная разведка и промысловая геофизика.- 1977.- № 7,- С. 13-14.

3. Охрана окружающей среды в нефтяной и газовой промышленности / Г.Е. Панов, Г.В. Старикова, В.В. Вишневская и др.- М.: МИНГ,- 1982.

4. Соколов В.Л., Фурсов А.Я. Поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений.- М.: Недра.- 1984.

5. Тютюнова Ф.И. Гидрогеохимия техногенеза.- М.: Наука.- 1987.

Abstract

In the drilling of wells, a technogenous influence is exerted on the blocks of geologic environment (GE) on a different scale. To obtain the most complete picture of technogenous effects and changes in the constituents of natural environment, a set of information models is constructed representing GE as a geosystem object. The information model for the technogenous effect includes several submodels in compliance with drilling phases. The information model of the GE variation includes elementary and combined changes of rocks, subsurface waters, soils, surface waters and the near-earth layer of atmosphere, as well as such characteristics as natural landscape degradation. This model consists of 4 submodels reflecting a various mode of changes in the different blocks around a well.

Таблица Процессы и изменения, происходящие в ГС и во взаимодействующих с ней средах при проведении геологоразведочного бурения

Геологические процессы
f1 -	карстово-суффозионный
f2 -	сейсмические
f3 -	водная эрозия
F4 -	ветровая эрозия
f5 -	выветривание
f7 -	заболачивание
F9 -	горно-геологические
F10	крип

Изменения в твердой (минеральной) составляющей
x1	- напряжений
x1(и)	- импульсное изменение напряжений
x1	- напряжении
x1(и)	- импульсное изменение напряжении
Х2	- плотности
Х4	- влажности
X5	- проницаемости
Х6	- трещиноватости
X7	- химического состава
X8	- температуры
Х9	- массы (объема)
x10	- радиоактивности

	Изменения в жидкой составляющей
Y1	- объема (массы)
Y2	- химического состава
Y4	- температуры
Y5	- радиоактивности

Изменения в средах, взаимодействующих с геологической средой
	- влажности почв
	- химического состава почв
	- массы (объема) почв
	- плотности почв
	- температуры почв
V1	объема (массы) поверхностных вод
V2	химического состава и свойств поверхности вод
З1	влажности атмосферного воздуха
32	содержание пыли в воздухе
Г	деградация природного ландшафта
Э	нарушение общего экологического равновесия

Рис. 1. Информационная модель изменения ГС по этапам бурения поисково-разведочных скважин на нефть и газ.

Показатели воздействия на природную среду: S - площадь, занимаемая буровой; n - число дорог, проходящих к буровой; I - интенсивность динамического воздействия; F - частота динамического воздействия; V_х - объем хранимых жидкостей; М - химический состав флюида; t - температура; с - концентрация m-ной компоненты в растворе; DVn- объем утечек бурового раствора в затрубное пространство; Н - глубина скважины; d - диаметр скважины; V3 - объем заканчиваемых жидкостей; R - интенсивность радиоактивного излучения; l - длина прохождения пули в массиве; r- плотность перфорации; р - давление; V₀ - объем откачиваемых жидкостей; Dр - изменение давления; V_и - объем стоков при самоизливе скважины; V_n - расчетный объем пустот, образующихся из-за интенсификации скважины

Рис. 2. Информационная модель изменения ГС при бурении поисково-разведочных скважин на нефть и газ.

1 - продуктивные горизонты; 2 - уровень первого от поверхности выдержанного водоносного горизонта; зоны: 1 - свободного водогазообмена, II - затрудненного и весьма затрудненного водообмена; цифры в кружках: 1 - строительство и эксплуатация (поверхностные изменения), 2 - бурение, 3 - вскрытие и интенсификация притоков нефти из продуктивных горизонтов, 4 - опробование и опытная эксплуатация продуктивных горизонтов