достаточной для суждения о возможных изменениях состава подземных вод и в целом породно-флюидальной системы под влиянием проникновения газа и других загрязнителей, связанных с эксплуатацией ПХГ.
Территория Щелковского ПХГ относится к пригородной зоне г. Москвы — Щелковскому району Московской области. Подземное хранилище газа создано в Щелковской водонасыщенной структуре, представляющей собой по кровле песчаников щигровского горизонта антиклиналь размерами 6,0×3,0 км с амплитудой 22 м по замыкающей изогипсе минус 745 м. Площадь хранилища равна 18 км2. Общий объем газа в хранилище составляет 3,3 млрд. м3, активный объем – 1,3 млрд. м3, максимальный суточный отбор газа – 13,0 млн. м3/ сут.
Коллектор представлен песчаниками, и характеризуется высокими емкостно-фильтрационными свойствами: открытая пористость до 32% ; проницаемость — до 3,0 мкм2. Следует отметить, что высокопористые разности песчаников, содержащие незначительное количество цемента, являются слабоустойчивыми и легко разрушаются в призабойной зоне пласта при эксплуатации скважин при работе их на отбор газа (особенно при наличии воды).
Режим работы ПХГ- упруго-водонапорный, величина пластового давления в сводовой части составляет 8,9 МПа. Ниже пачки Б, в которой создано газохранилище, залегает песчаная пачка В, представленная породами, аналогичными вышележащим. Пачка Б и В совместно с нижележащими терригенными отложениями живетского яруса представляют гидродинамически единый природный резервуар с мощностью коллектора порядка 130 м. Указанный природный резервуар имеет региональное распространение в пределах Московской синеклизы, он увеличивается в восточном и северо-восточном направлениях в сторону погружения щигровского горизонта.
Покрышка ПХГ сложена пестроокрашенными глинами с прослоями и линзами песчаников и
алевролитов. Деформационно-прочностные испытания образцов глин покрышки по методу Л.А. Шрейнера свидетельствуют о довольно высоких прочностных параметрах. Исследования на газопроницаемость проводились параллельно и перпендикулярно напластованию. Емкостно-фильтрационные параметры глин покрышки изучены по 63 образцам из 11 разведочных скважин (3–10,15,20,44). Проницаемость отсутствует. В
трех образцах глин была отмечена трещинная проницаемость от 0,00006 до 0,002 мкм2. С учетом вышележащих непроницаемых глинистых известняков хворостанского и глин рудкинского и семилукского горизонтов мощность покрышки ПХГ превышает 110 м, что гарантирует ее диффузионную непроницаемость.
Таким образом, глинистые породы покрышки коллектора щигровского горизонта обеспечивают надежное экранирование ПХГ.
Промышленная эксплуатация Щелковского ПХГ в щигровском горизонте ведется с ноября 1964 г. и по настоящее время по технологической схеме ВНИИгаза.
Важной особенностью, связанной с тектоническим строением, является расположение участков с наиболее высокими емкостно-фильтрационными свойствами в виде полос, совпадающих с линиями развития тектонических глубинных разломов, проходящих через Щелковское поднятие с юго-востока на северо-запад, в сторону скв. № 23, и с запада на восток, через скв. № 66 на скв. № 10.
Район Щелковского ПХГ приурочен к Московскому артезианскому бассейну, и представляет собой часть водонапорной системы, в пределах которой водоносные горизонты и комплексы имеют выраженную вертикальную гидродинамическую и гидрохимическую зональность. Выделяются воды: пресные с минерализацией до 1 г/дм3, солоноватые с минерализацией от 1–3 г/дм3, соленые с минерализацией от 3–10
г/дм3, сильно соленые (10–35 г/дм3), рассолы (35–150 г/дм3), крепкие рассолы- свыше 150 г/дм3. Подземные воды встречаются практически во всех стратиграфических комплексах. По практическому использованию основную роль играют водоносные горизонты верхнего и среднего карбона. В связи с этим указанные горизонты являются основными объектами контроля при эксплуатации ПХГ.
В течение ряда лет различными организациями проводились работы по выявлению характера и масштабов загрязнения геологической и других сред от различных видов техногенной деятельности впределах ПХГ.
Региональные систематические наблюдения за водоносными горизонтами проводятся в системе Геолкома РФ. В районе Щелковского ПХГ такие работы поручено выполнять с 1976 г. гидрохимической партии ГП «Союзбургаз» по заказу П «Мострансгаз». Работы по оценке влияния техногенных факторов на водозаборные горизонты каменноугольных отложений в районе ПХГ выполнены предприятием экологических и геотехнологических проблем «Экогеоцентр» в 1993 г. Большая работа выполнена под руководством
Гольберга В.М. (1983 г.) по изучению загрязнения подземных вод и Соколова С.А. (1991 г.) по изучению эколого-геохимических условий Щелковского района г. Москвы.
В результате проведенных исследований был сделан вывод о незначительном, по сравнению с промышленностью и другими отраслями хозяйственной деятельности, влиянии подземного хранилища газа на геологическую среду, в том числе на качество подземных вод. Результаты наблюдений по контрольным скважинам, проведенные в период 1982–1996 гг. в целом по площади подземного хранилища и его окружения для всех водоносных горизонтов, позволили выявить приуроченность повышенных значений
гидрогеохимических параметров к сводовой, северо-восточной и в меньшей степени к юго-западной присводовой частям структуры. По степени загрязненности (от большей к меньшей) водоносные горизонты можно расположить в следующий ряд — окско-серпуховский, московский, касимовский, амеревский.
Гидрогеохимические исследования (сентябрь 1996 г.) показали по всем водоносным комплексам каменноугольных отложений уменьшение газовых аномалий.
Подземное газохранилище в пористой среде по сути происходящих процессов является сложной системой, поведение которой обусловливается воздействием внешних и внутренних факторов. Эта система требует постоянного контроля за поведением искусственной залежи, состоянием покрышки и заколонного пространства скважин, а также за горизонтальным и вертикальным перемещением флюидов при возникновении перепадов давления.
В пределах области воздействия ПХГ на геологическую среду должны выполняться исследования по оценке воздействия проводимых работ, то есть по определению характера и степени опасности всех видов влияния. Как известно, создание и эксплуатация ПХГ в водоносных пластах-коллекторах имеет следующие
особенности, определяющие методологию оценки техногенного воздействия этих работ на окружающую среду: а) наибольшую техногенную нагрузку при эксплуатации ПХГ воспринимает геологическая среда (техногенному влиянию подвергаются значительные по мощности толщи пород и содержащиеся в них подземные воды); б) техногенное воздействие на геологическую среду нарастает при переходе от этапа
создания к этапу эксплуатации ПХГ, достигая максимума в процессе полномасштабной эксплуатации. При этом, с увеличением циклов закачки-отбора газа возможна концентрация воздействия на геологическую среду.
В связи с этим, принципиальным при разработке критериев оценки техногенного воздействия ПХГ на геологическую среду является соблюдение системного подхода и рассмотрение возникающих процессов именно на информационной базе о геологическом строении объекта.
Критерии определения воздействия на элементы геологической среды при создании и эксплуатации ПХГ включают:
1. Воздействия на горные породы (недра):
1.1. изменение деформационно-прочностных характеристик пластов и покрышек;
1.2. изменение напряженного состояния пород;
1.3. изменение емкостно-фильтрационных свойств коллекторов;
1.4. изменение герметичности покрышек.
2. Воздействия на пластовые воды в зоне пластовых вод:
2.1. изменение химического состава;
2.2. изменение режима;
2.3. изменение газонасыщенности и состава газа.
3. Воздействия на пластовые воды питьевых горизонтов:
3.1. содержание углеводородов;
3.2. содержание токсичных веществ (в сравнении с предельно допустимыми сбросами и
концентрациями);
3.3. соленость;
3.4. мутность;
3.5. температура.
Контроль за возможными газопроявлениями в горизонтах, залегающих выше эксплуатационного пласта, должен осуществляться геохимическими площадными исследованиями (газовой съемкой) и замерами по контрольным скважинам, а также геофизическими исследованиями скважин методом НГК.
Контроль за перетоками газа в контрольные горизонты, т. е. пути миграции, также должны
осуществляться специальными флюидодинамическими и геофизическими исследованиями скважин, но по специальным программам. Гидрогеохимические и гидродинамические показатели надежности покрышек над эксплуатирующимся и контрольными горизонтами заключаются в отсутствии сообщаемости между собой пластов-коллекторов. Контроль осуществляется путем измерения в контрольных скважинах напора пластовых
вод, давления среды, содержания и состава природных газов, плотности и химического состава пластовых вод.
По горизонтам с питьевыми и техническими водами в контрольных скважинах дополнительно еще должны определяться содержание в воде токсических веществ, мутность, температура, содержание метанола (с учетом возможной его генерации из метана метаноокисляющими бактериями), нефтепродуктов.
Контроль за состоянием пласта-коллектора в призабойной зоне скважины на предмет выявления его разрушения осуществляется специальными исследованиями керна и выносимого на поверхность песка (растровая электронная микроскопия, рентгено-структурный и термовесовой анализ, дифференциальный минералогический анализ и др.).
Устойчивость пласта-коллектора в межскважинном пространстве контролируется путем прослеживания во времени положения границ пластов с различной газонасыщенностью и непроницаемых пропластков и покрышки.
Показатели поведения искусственной газовой залежи ПХГ определяются путем стандартных и специальных газогидродинамических исследований в эксплуатационных, пьезометрических и контрольных скважинах, и геофизических исследований методом НГК (степень газонасыщенности и положения ГВК).
По результатам замеров глубинными манометрами и пересчета уровней столба жидкости строятся карты изобар и с учетом геофизических исследований определяются границы газовой залежи.
Таким образом, определены следующие три группы критериев контроля состояния геологической среды, исходя из объектов, на которые направлены воздействия, и методов измерений: геолого-физические, гидрогеохимические, газогидродинамические.
Изменения геолого-геофизических параметров пласта-коллектора, покрышки и в целом всей толщи пород до глубины влияния «горных» работ определяются изучением положения границ пластов и покрышек, специальными исследованиями деформационно-прочностных свойств пород и поведения участка земной поверхности в районе объекта ПХГ.
Изменения гидрогеохимических параметров определяются комплексом исследований пластовых вод контрольных горизотов по выявлению в них переточного газа, наличия или отсутствия реакции на изменения давления в ПХГ, по изменению минерализации и газонасыщенности вод и др.
Газогидродинамические параметры контролируются на основе исследований эксплуатационных, пьезометрических и специальных скважин.
Анализ материалов по контролю геологической среды при создании и эксплуатации ПХГ показал, что наиболее эффективно комплексное применение геолого-геофизических, промысловых, гидрохимических и гидродинамических исследований.
Для контроля за состоянием подземных вод и своевременного принятия специальных мер по их охране должна быть оборудована режимная сеть наблюдательных скважин для проведения систематического контроля за качеством и уровнем подземных вод как на участке водозаборов, так и на прилегающей территории, с которой возможно поступление к водозаборам загрязненных или природных некондиционных вод.
В пределах Щелковского ПХГ возможным источником загрязнения водоносных горизонтов,
залегающих выше эксплуатируемого щигровского пласта-коллектора, могут быть рассолы щигровских отложений с минерализацией 129–131 г/дм3 и УВ газ, закачиваемый и отбираемый из указанного пласта.
Средняя минерализация сточных вод ПХГ равняется минерализации извлекаемых с газом щигровских рассолов, т.е. 129–131 г/дм3.
Региональный район разгрузки контрольных водоносных горизонтов каменноугольных и
верхнедевонских отложений находится в районе Балтийского щита. Фронт возможного загрязнения пластовых вод контрольных горизонтов водами и газом из щигровского пласта-коллектора принимается нормальным к линии стока и ширина его определяется расстоянием между крайними наблюдательными скважинами на пласт-коллектор по фронту возможного загрязнения.
В целом, существующая система наблюдательных скважин отвечает современным требованиям, предъявляемым к режимным гидрогеологическим сетям, как по плотности и системе размещения наблюдательных скважин, так и по объему геологической информации, получаемой в процессе мониторинга.
Как известно, газонасыщенность является основным фактором влияния ПХГ на геологическую среду, поэтому необходим целевой ведомственный мониторинг за поведением формируемой газовой залежи, изменением контура газоносности в процессе закачки и отбора газа для оценки возможности расширения залежи за пределы замка структуры.
Контроль за поведением газовой залежи в щигровском горизонте в процессе создания и эксплуатации ПХГ производится путем регулярных замеров газонасыщенных мощностей методами НГК в геофизических скв. №№ 23, 32, 41, 61, 62, 66, 122, 173, 214, 221, 222, 228, а также отдельных замеров в скв. №№ 10, 168, 169, 170, 172, 225.
С целью прослеживания характера и масштабов изменения границ залежи проанализирован период эксплуатации ПХГ со сравнительно стабильными объемами закачки и отбора и запасами в конце сезона закачки, когда общее количество газа в хранилище остается постоянным — 3,3 млрд. м3. Изучение графиков изменения газонасыщенных мощностей в коллекторе по замерам в геофизических скважинах на начало отбора газа за период 1992–1995 г.г. показывают сравнительно стабильное поведение значений газонасыщенных мощностей в центральной части ПХГ. Некоторое увеличение газонасыщенных мощностей в последние годы отмечается в периферийных частях ПХГ, что может свидетельствовать о накоплении здесь запасов газа. Это
относится к районам скв. №№ 61 и 66, где прогнозируются небольшие структурные осложнения.
Наиболее активное циклическое движение газа (воды) наблюдается в западном и северо-западном направлениях в сторону уменьшения толщины высокопористых коллекторов (скв. №№ 23, 41, 221). На начало отборов ГВК на западе уходит в последние годы все дальше от группы эксплуатационных скважин. Данные по юго-востоку отсутствуют, так как здесь нет геофизических скважин, и в геологической модели юго-восточная
часть является наименее изученной.
Прослеживание поведения ГВК в циклах закачки и отбора газа выполнено при помощи построения ряда карт расчетного положения ГВК на основании данных о газонасыщенных мощностей в контрольных геофизических скважинах и обводнившихся эксплуатационных скважинах. Установлено, что ГВК стягивается к центру структуры, где расположена основная группа эксплуатационных скважин неравномерно как в плане,
так и во времени. Наибольшее расстояние и скорости перемещения ГВК в плане наблюдаются в юго-восточном направлении (от скв. № 23 к скв. № 221 и далее к центру структуры — к скв. № 122). Характерно обтекание района скв. № 66 продвигающимся к центру структуры ГВК, что подтверждает высказанное ранее предположение о возможном существовании здесь структурного осложнения.
Граница раздела газ-вода имеет неровный характер, что становится особенно заметно, когда ГВК проходит через эксплуатационные скважины. В ряде мест ГВК продвигается к центру структуры более ускорено, образуя языки обводнения. Это отмечается преждевременным обводнением отдельных эксплуатационных скважин или групп скважин. На конец циклов отборов в центральной части структуры остаются небольшие, ограниченные стянувшимся ГВК, залежи газа. Во всех случаях ГВК в оставшейся залежи
на конец отбора имеет наклон с севера на юг.
Одним из аналитических методов ведомственного мониторинга геологической среды является определение запасов газа в объекте хранения на разные периоды работы хранилища. В условиях активного водонапорного режима наиболее целесообразно выполнять контрольные оценки запасов газа в ПХГ объемным методом.
За 34 прошедших цикла закачки и отбора газа из ПХГ не было отмечено ни одной скважины, которая не выносила бы твердую фазу. Даже в скважинах с надежно работающими фильтрами наблюдается вынос твердых частиц размерами меньше 0.01 мм, т.е. такие, которые могут проходить через крупные поры и каналы. В скважинах с дефектами фильтров выносится твердая фаза (песок), представляющая собой продукт
полного разрушения коллектора. Указанные явления дали основание С.Н. Бузинову с соавторами (1994) отнести щигровский пласт-коллектор к типу плывунов.
Проведенный анализ газонасыщенных толщин в геофизических скв. № 122, 222 и др., расположенных в непосредственной близости от эксплуатационных (порядок 50 м), в том числе и с разрушением коллектора, установил отсутствие регионального разрушения пласта-коллектора в межскважинном пространстве, т. е. превращение его в плывун не происходит.
Для изучения характера механизмов и масштабов разрушения призабойной зоны коллектора в 1995 г. были проведены комплексные исследования продуктов разрушения песчаников — песка, вынесенного из эксплуатационных скважин. Основные результаты исследований (Дубенко В.Е. и др., 1995) показали, что в призабойной зоне эксплуатационных скважин со временем образуются пустоты, в которых происходят
процессы выравнивания размеров частиц, на что указывает увеличение степени сортировки песка, а также имеются условия для сепарации частиц в свободном пространстве и обогащения фракции 0.005–0.01 мм тяжелыми минералами как в гидрофильной, так и в гидрофобной частях.
Таким образом, контроль за состоянием призабойной зоны коллектора на предмет его разрушения можно осуществлять специальными исследованиями керна и выносимого на поверхность песка. Устойчивость пласта-коллектора в межскважинном пространстве контролируется методом прослеживания во времени положения границ разнофациальных пластов, пропластков и покрышек, пластов с различной газонасыщенностью (Евик В.Н. 1995).
Пластовые воды щигровского горизонта представляют собой хлоридно-натриевые рассолы с минерализацией 129–131 г/дм3, плотностью 1090 кг/м3, рН = 6.7–7.0.
С целью прослеживания изменений, происходящих в гидрогеологической системе газового хранилища, проанализированы данные гидрогеологических и гидрохимических исследований, которые регулярно выполняются геологической службой ПХГ.
В период отбора газа на поверхность может извлекаться до 2400 м3/сут. пластовой воды, которая закачивается в щигровский горизонт через скв. №№ 20, 26, 29. В целом, за сезон может добываться и закачиваться обратно в пласт порядка 80000 м3 пластовой воды. Изменения в плотности и составе воды практически не наблюдаются, небольшие колебания в значениях плотности воды находятся в пределах точности определения.
Некоторые изменения плотности пластовой воды отмечаются по месяцам отбора газа. Детальные анализы плотности воды из ГРП-2 в сезон 1988–1989 г. показали следующие изменения плотности: декабрь — 1086; январь -1085; февраль — 1087; март — 1092 кг/м3. Происходит постепенное увеличение плотности к концу сезона отбора, что может свидетельствовать о подходе снизу от подошвы пласта более плотных вод. Известно,
что в антиклинальных структурах имеет место определенная сегрегация пластовых вод по плотности, поэтому в сводовых частях и под покрышкой коллектора минерализация пластовых вод бывает несколько меньше. К подошве пласта-коллектора и на погружениях структур минерализация увеличивается. Уменьшение плотности воды происходит также за счет растворения в ней углеводородных газов, в нашем случае метана. При
значительных объемах растворения метана облегченные воды будут более активно участвовать в процессе сегрегации пластовых вод по плотности.
Как известно, сложное тектоническое строение объекта и наличие в его пределах тектонических нарушений могут способствовать активизации сейсмической деятельности при техногенном воздействии на геологическую среду. При эксплуатации ПХГ в циклах закачки-отбора замещение газа водой (и наоборот) вызывает изменения поля гравитационных напряжений. Это приводит к нарушению равновесия геологической
среды и при определенных критических величинах напряжений может спровоцировать сейсмические явления.
Замещение газа водой в толще порядка 100 м приводит к изменению поля гравитационных напряжений на величину порядка 1 МПа, что сопоставимо с напряжением сдвига глинистых и песчаных пород. Для условий Щелковского ПХГ размеры и мощность газонасыщенной части, замещаемой водой (и наоборот), составляет 7 км2 и 6,9 м (средневзвешенная по площади). Замещение здесь флюидов при отборе (закачке) газа может вызвать изменение поля гравитационных напряжений не более 0,1 МПа. Возникающие при эксплуатации Щелковского ПХГ возмущения гидрогеодеформационного поля незначительны, так как залежь не подвергается декомпрессированию. Кроме того, в разрезе имеется достаточное количество крепких, обладающих несущей способностью пластов. Следовательно, здесь отсутствуют условия для возникновения возмущений геологической сред, приводящих к проседанию поверхности Земли и горным ударам.
Таким образом, полученные результаты показывают нецелесообразность проведения геодинамического мониторинга на Щелковском ПХГ.
На основе существующей режимной геологической сети, которая отвечает требованиям ГОСТ 17.1.3.12–86 и другим действующим нормативным документам, разработана система мониторинга, состоящая из двух частей:
-контроль за источником воздействия, т.е. за эксплуатируемым щигровским пластом-коллектором;
-наблюдения (контроль) в зоне воздействия ПХГ.
Промысловый мониторинг охватывает вопросы контроля за ГВК, газонасыщенностью коллектора, запасами газа, герметичностью покрышки, скважин и т.п.
Мониторинг в зоне воздействия ПХГ- это контроль и наблюдения за водоносными горизонтами, залегающими выше эксплуатируемого пласта-коллектора, а также газогидрохимические исследования подземных вод и газовая съемка.
Результаты ведения мониторинга геологической среды по указанной системе позволят оценить геоэкологическую безопасность эксплуатации ПХГ в реальном масштабе времени и принимать необходимые решения по оптимальному управлению хранилищем. Это обеспечит соблюдение утвержденных стандартов и других действующих нормативно-правовых документов, регламентирующих условия охраны недр, надежную
и эффективную защиту геологической среды от загрязнения и разрушения.
Автор: Евик В.Н.; Варягов С.А., Павлюкова И.В., Смирнов Ю.Ю.
