УДК 551.594:[553.982+553.981.8]
Исследование вариаций атмосферного электрического поля в районах нефтяных и газовых месторождений
В. Н. Шулейкин*, Г. Г. Щукин**
Обсуждаются результаты исследований изменения элементов атмосферного электричества в районах залежей нефти и подземных газовых хранилищ. Измерения проведены в разных регионах России, Белоруссии и Казахстана. Анализ результатов выполненных работ показал перспективность применения методов и средств атмосферно-электрических измерений для оперативного обнаружения и исследования скоплений углеводородов.
Ключевые слова: метан, радон, водород, атмосферное электрическое поле, электрическая проводимость.
При поисках, разведке и эксплуатации месторождений углеводородов традиционно используют газовую съемку. При среднем фоновом уровне содержания метана грунта ~0,8 • 10-4 об. % его оперативный контроль возможен до концентрации не меньше 101 об. % [3, 4]. Лабораторный анализ образцов почвенного воздуха намного повышает чувствительность и точность измерений, но лишает процедуру оперативности. Для продуктивного определения концентрации метана необходима методика контроля содержания горючего газа в приповерхностных слоях грунта от уровня, по меньшей мере, равного среднему фоновому содержанию летучего газа, работающая в режиме реального времени.
Рассмотрим возможность косвенного оперативного контроля содержания метана в грунте с использованием результатов измерений характеристик Земли и атмосферы, поддающихся наблюдениям с необходимой точностью. Экспериментальные исследования последних лет позволили построить цепочку связей метана, водорода и радона почвенного воздуха и элементов приземного атмосферного электричества (рис. 1). Эксхалирую-щий почвенный радон является единственным естественным ионизатором атмосферного воздуха [11]. Большой молекулярный вес радона (222) исключает возможность его самопроизвольной субвертикальной миграции, и в качестве газов-носителей выступают пузырьковые образования водорода и метана [4]. Отрицательный заряд Земли приводит к электродному эффекту: концентрация отрицательных ионов у ее поверхности нулевая, концентрация положительных — максимальная. При дефиците ионизатора вертикальный градиент потенциала Е — атмосферное электрическое поле
* Институт проблем нефти и газа Российской академии наук; e-mail: shvn1947@yandex.ru.
**Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского; e-mail: ggshchukin@mail.ru.
т Ч
Избыток ионизатора — "реверсивный" электродный эффект — уменьшение АЭП вплоть до отрицательных значений
Пузырьковые А А А А А А Г Пузырьковые
_ 1Е7 Г11111111^\ — .
Глубинный субвертикальный поток водорода и метана
Рис. 1. Модельное представление связей радона, водорода, метана и атмосферного электрического поля.
J
(далее АЭП) — плавно уменьшается до фонового уровня на метровой высоте (классический электродный эффект); при избытке Е может уменьшаться вплоть до отрицательных значений и после перегиба выходить на уровень фона — реверсивный электродный эффект [10].
В условиях хорошей погоды, когда метеорологические условия практически не влияют на изменения элементов приземного атмосферного электричества, эксхалирующий в атмосферу радон — Яп(а) — будет связан с радоном грунта Яп:
Яп(а) = Яп(аН + 6СН4), (1)
где Н2, СН4 — содержание водорода и метана в грунте; а, Ь — численные ко эф фи ци ен ты. В со от ве тствии с мо делью, представленной на рис. 1, аналогичные выражения можно записать для полярных проводимостей и обратной величины АЭП.
Измерения объемного содержания радона в грунте и атмосфере проводили с помощью датчика РГА-01, а измерения содержания водорода — с помощью газоанализатора ВГ-2Б [4]. Элементы атмосферного электричества измерялись следующим образом: вертикальный градиент потенциала Е с помощью прибора "Поле-2", а полярные проводимости — с помощью преобразователя "Электропроводность-2" [5, 6, 8, 14].
Относительная погрешность единичного отсчета датчика РГА-01 -30%. Каждая проба, взятая в точке наблюдений — пикете, — подвергалась анализу три раза, что уменьшает погрешность до ~17%. Паспортная относительная ошибка датчика АЭП — флюксметра — 5%. Для уменьшения относительной погрешности датчика водорода до 8—10% каждый образец
воздуха анализировался двумя датчиками ВГ-2Б. До и после полевых работ датчики проверялись на идентичность. По результатам проверки вводилась переводная формула, позволяющая оценивать среднее значение показаний измерительных инструментов. Относительная погрешность датчика полярных проводимостей — блока аспирационных конденсаторов -13—15%.
Если на 5—10% наблюдательных пикетов исследуемой территории провести параллельный отбор образцов почвенного воздуха для последующего лабораторного анализа на содержание метана и водорода, то результат можно получить в общепринятых абсолютных значениях концентрации метана.
Рабочие формулы вводились как функции пар значений: радон грунта — радон атмосферы, радон грунта — АЭП, радон грунта — полярная проводимость воздуха [4]. Остановимся на рабочей формуле для первой пары значений, так как погрешность единичного отсчета датчика радона максимальна. В частности, на площади с концентрацией метана ~10-6—10-5 об. % ра бочая формула име ет вид
СН4 = [Яп(а) - 0,1331]/4921,48Яп. (2)
Значения Яп и Яп(а) нормированы на 1 Бк/л. Относительная ошибка для средних значений концентрации метана ~28%, участие водорода и метана в транспорте радона 15 и 85% соответственно. Аналогичное выражение для концентрации метана в диапазоне концентраций 10-3—10-2 об. %
СН4 = [0,02043 6Яп(а) + 0,0004]/Яп (3)
имеет относительную погрешность 14%; участие водорода в переносе радона — 45%, метана — 55%.
На территории со средним содержанием метана в грунте 10-6—10-5 об. % в течение двух лет проводилось сравнение расчета содержания метана по введен ным ра бочим формулам с дан ны ми кон троль но го про бо за бо ра для последующего лабораторного анализа на 52 пикетах. На 50 пикетах лабораторные данные о содержании метана уложились в 28%-ный разброс расчетных данных. На площади с концентрацией метана в грунте 10-3— 10-2об. % для 26 из 28 контрольных пикетов лабораторные данные уложились в расчетный 14%-ный разброс. Другими словами, точность оперативных измерений водорода, радона, полярной проводимости воздуха и АЭП достаточна для увеличения чувствительности оперативного контроля содержания метана в грунте на 4—5 порядков.
На поле концентраций метана в тропосфере оказывает влияние нефте-газоносность недр. Содержание СН4 в тропосфере над нефтяными и газовыми структурами Бухаро-Чарджоуской тектонической ступени [2] в 1,2—1,5 раза больше среднепланетарных. Натурные исследования показали, что над контуром проекции нефтяной залежи на дневную поверхность отмечается увеличение концентрации горючего газа в приповерхностных слоях грунта [1]. Отношение средней концентрации метана над залежью и над вмещающими породами составляет ~1,7.
Согласно введенным модельным представлениям (рис. 1), избыточное поступление метана в атмосферу неизбежно должно отразиться на измене-
Рис. 2. Результаты профильных наблюдений: АЭП на 3-м Речицком нефтепромысле в 1989 (1) и 1992 гг. (2) (а), АЭП (3 — Е; 4 — Е(Кп) и радона (5) на Александровском нефтяном месторождении (б).
ниях элементов приземного атмосферного электричества. Первые результаты профильных наблюдений АЭП были получены на территории 3-го Речицкого нефтепромысла (Белоруссия). Измерения проводились летом 1989 г. в непосредственной близости от только что пущенной в эксплуатацию новой скважины и летом 1992 г. после 3 лет ее эксплуатации (рис. 2а). Как видно, через 3 года спад АЭП над залежью существенно меньше из-за уменьшения плотности шлейфа углеводородов — результат понижения внутри-пластового давления и заводнения пласта.
Пузырьковые образования метана не только выносят ионизатор в атмосферу, но и вызывают увеличение содержания радона в приповерхностных слоях грунта, о чем свидетельствуют результаты наблюдений объемной активности радона грунта и АЭП на Александровском нефтяном месторождении в Белоруссии, где было заложено 29 наблюдательных пикетов (рис. 2б).
В зоне пикетов 2—8, где исследуемый профиль пересекает нефтяную залежь, наблюдаются малые значения АЭП из-за повышенного содержания радона грунта, транспортируемого метаном нефтяного шлейфа. Массивы данных наблюдений делились на две части — над залежью и вне залежи, и строились линейные аппроксимации АЭП как функции объемной
активности радона почвенного воздуха. С достоверностью ~0,8 эти аппроксимации можно записать в следующем виде: Е(Яп)2—8 = 553,3 - 119,2Яп и £(Яп)1> 9—29 = 377,4 - 55,2Яп (рис. 26). Численные коэффициенты имеют размерность В/м, значения объемной активности радона грунта нормированы на 1 Бк/л.
Вне залежи среднее значение объемной активности радона грунта достаточно стабильно и составляет в среднем величину Яп1,9—29 = 2,74 + 0,20 Бк/л. Увеличение объемной активности радона в грунте над нефтяной залежью объясняется участием в переносе радона метана нефтяного шлейфа. Увеличение вклада метана нефтяного шлейфа в этот процесс можно грубо оценить из отношения свободных членов введенных аппроксимаци-онных выражений — 553,3/377,4 ~ 1,5, что сравнимо с оценкой, полученной по данным работы [1].
При исследованиях в районе структуры Сатыбальды-Карсак (Гурьев-ский свод, Западный Казахстан) [12] наблюдалось обратное явление. В северо-восточной части территории над нефтяными залежами была выявлена положительная аномалия АЭП, имеющая юго-восточную протяженность с двумя четкими максимумами ~250 В/м. В юго-западной части за пределами залежей была выявлена отрицательная аномалия АЭП, достигающая в минимуме около -110 В/м.
Структурный элемент Сатыбальды-Карсак расположен в северо-западной части солянокупольной структуры Карсак [7], площадь которой существенно больше суммарной площади нефтяных пластов. Герметичный соля ной ку пол пре пя тствует дви же нию глубин но го суб верти каль но го потока летучих газов и шлейфа нефтяной залежи. Под куполом происходит накопление газов-носителей, а их субверти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.