Задачи методов в нефтяной промышленности

Геофизические методы основаны на изучении естественных или искусственных физических полей (магнитных, электрических, тепловых, акустических, радиоактивных, силы тяжести и др.). в процессе изучения выявляются аномалии в этих полях, которые отражают локальные особенности геологической среды и по которым определяют формы, размеры и физические свойства геологических тел.

Оценка геологических тел выполняется дистанционно, без прямого контакта с объектом, свойственного бурению или раскопкам. Дистанционные суждения об объекте по его «тени» не столь надежны, как прямое опробование, но оказывается дешевле и производительнее, тогда как прямое опробование в ряде случаев может быть нереализуемо.

Для преодоления неоднозначности геологического истолкования материалов часто используют принцип комплексирования нескольких геофизических методов, реагирующих на разные физические свойства. Это особенно важно при решении геоэкологических и геотехнических задач, учитывая разную дифферинцацию грунтов верхней части геологического разреза. Причем для оценки структурной модели изучаемых участков на данном этапе лучше применять новые модификации геофизики, которые позволяют получать исходные данные с высокой плотностью и точностью измеряемых параметров.

В последние годы резко возросла актуальность применения геофизических методов при обслуживании нефтепроводного транспорта и для геоэкологического обследования территорий, примыкающих к объектам нефтяной промышленности – нефтеперерабатывающих и нефтехимическим заводам, а также к нефтехранилищам. Безостановочная эксплуатация большинства нефтепроводов в России проводится в течение 25 – 30 последних лет. Поэтому во всех больших масштабах требуется повторное их обследование и соответствующий их ремонт. Если оставить эти вопросы без внимания, то через 5 – 10 лет в условиях непрекращающейся эксплуатации трубопроводов может разразиться серия крупнейших экологических катастроф.

Вокруг реального состояния трубопроводов возникает масса проблем. Во-первых, иногда требуется определить трехмерное положение трубы. Когда трубопровод находится на глубине 0,5 – 2 метров, сделать это с помощью геофизических методов достаточно просто. Точность, с которой определяется истинное положение трубы, составляет порядка 10 % от глубины объекта.

Во-вторых, чтобы точно определить глубину трубы, можно использовать информацию о форме и ее свойствах. Это известная проблема интерпретации геофизических материалов – чем меньше знаем об объекте, тем хуже определяем его параметры. Кроме того, точность определения глубины объекта тесно связана с точностью измерения параметров поля и конкретных наблюдений.

Часть задач связанно с проектированием и эксплуатации нефтепроводов. Проектирование включает стадию геологического обследования, во время которой проводится оценка альтернативных вариантов прохождения трассы нефтепровода на участках с различной геоморфологией и геологическим строением. В подавляющем большинстве случаев именно геологические факторы являются определяющими для принятия решений: где, на какой глубине и какого типа нефтепровод должен быть.

На этой стадии, как правило, выбираются небольшие ключевые участки длиной 1 – 3 км со сложным геологическим строением. Совместно с бурением, которое выполняется по редкой сети, в задачу геофизики входят детальное изучение геологическое строение и размещение природных подземных объектов вблизи будущей трассы.

Особое внимание уделяется следующим элементам трассы:

- оползням, расположенным на береговых откосах, склонов гор и холмов, различных карьеров;

- участкам развития карста, который приводит к провальным явлениям;

- зонам разрывных нарушений и загрязнения геологической среды;

- участкам перехода через реки и разные водоемы.

Указанные проблемы могут привести к чрезвычайным ситуациям и будут рассмотрены более подробно. Но, кроме них, геофизические методы позволяют оптимально решать проблемы, связанные с устройством анодных заземлений на станциях катодной защиты (СКЗ), расположенных вдоль трасс трубопроводов. Анодные заземления располагаются, как правило, достаточно произвольным образом в соответствии с проектом расположения СКЗ. Между тем, деятельность эксплуатации анодов и эффективность их работы целиком зависит от проводимости среды, в которую они погружаются.

Чем выше проводимость, тем лучше обеспечивается стекание тока. Поэтому проект устройства и реконструкция СКЗ должен предусматривать электроразведочные работы, результатом которых является рекомендации по устройству анодных заземлений.

Ряд сложных проблем связан с проектированием и работой линейных производственных диспетчерских станций (ЛПДС). Здесь с помощью геофизики решается довольно большое количество задач. Совместно с геохимическими методами и бурением дается общая геоэкологическая характеристика состояния недр, расположенных под территорией ЛПДС. При этом геофизические методы решают 2 задачи:

- выявляют особенности экологического строения участка и общую гидрогеологическую ситуацию;

- в случае сильных загрязнений нефтепродуктами они работают как прямые методы их обнаружения.

12.2. Возможности геофизических методов

К методам, использующим естественные поля, относится гравиметрия, магниторазведка, магнитотеллурические и термические методы, сейсмометрия обменными волнами. Искусственные поля – это в первую очередь электромагнитные поля (методы электроразведки), создаваемые специальными генераторами и поля упругих колебаний (сейсморазведка), вызываемых взрывами или ударами. Методы, основанные на изучении природных полей, можно отнести к категории пассивных, а искусственных –к категории активных. Последние имеют повышенную разрешающую способность и позволяют решать более широкий круг задач, чем пассивные, которые, однако, более мобильнее, проще и дешевле.

Структура, интенсивность и распределение полей связанны с определенными физическими свойствами горных пород. При решении геоэкологических и геотехнических задач в нефтяной промышленности ведущая роль принадлежит электромагнитным и сейсмическим методам. Первые основаны на различии горных пород, имеющих разные удельные электрические сопротивления, поляризуемость и диэлектрические проницаемости, а 2-е на различные скорости сейсмических волн и их поглощения.

Меньшее значение имеют магнитометрические методы, основанные на различии магнитной восприимчивости пород, гравиметрические – на плотности пород, термометрические – на теплопроводимости и ядерно-физические – на естественной радиоактивности и реакции горных пород на их облучение нейтронами и гамма - квантами. Хотя в благоприятных условиях их применение оказывается весьма эффективным.

Существует много разных подходов к классификации геофизических методов в зависимости от используемых физических полей, измеряемых параметров, места проведения наблюдений, областей применения и технологических особенностей. Весьма важными в комплексе геодезических исследований являются наблюдения в буровых скважинах, которые получили название геодезических исследований скважин (ГИС). При изучении геологического разреза скважин применяют электрометрические, ядерно-физические, сейсмоакустические, термические, механические и некоторые другие методы, основанные на тех же физических свойствах горных пород, что и наземные работы.

Ниже кратко рассмотрим возможности основных геофизических методов, используемых при решении задач в нефтяной промышленности.

Электромагнитные зондирования служат для вертикальной стратификации геологических и гидрогеологических резервов. Применяются постоянные, переменные, неустановившиеся, искусственные и в редких случаях естественные электромагнитные поля. Измеряются составляющиеся электромагнитных полей и производные от них параметры (кажущееся удельное сопротивление, кажущаяся поляризуемость, разность потенциалов и другие).

Различают геометрические и индукционные зондирования. Глубина проникновения электрического тока в случае геометрических зондирований регулируется расстоянием между источником тока приемником. Она возрастает с увеличением этого расстояния. Чаще всего наблюдения проводятся методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ).

Индукционные зондирования основаны на скин-эффекте переменных токов. В результате изменения частоты поля от высоких значений до низких добиваются изменения концентрации поля от приповерхностных частей разреза до глубинных.

В основе электромагнитного профилирования лежит получение различных параметров поля вдоль определенного направления при более или менее закрепленных глубинах исследования. Профилирование применяется, в основном, для выделения геологических тел с вертикальными и крутонаклонными границами.

Для указанных выше задач электромагнитные зондирования и профилирования применяются для оценки оползневых явлений, поиска карстовых пустот, картирования малоамплитудных тектонических нарушений, изучения речных палеодолин, обследования основных фундаментов ЛПДС и оконтуривания зон химических и углеводородных загрязнений. Процесс полевых наблюдений в методах становится автоматизированным и происходит переход на многоэлетродные установки (модификация электрической томографии). Новые задачи и технологии вызвали новый виток теоретических разработок.

Из сейсмических методов исследования наибольшее значение имеют методы отраженных и преломленных волн. Регистрируемыми параметрами являются скорости продольных Vρ и поперечных Vs волн и реже соответственные коэффициенты затухания. Отраженные волны позволяют построить геометрическое положение отражающей границы и определить среднюю скорость распространения волн в интервале от поверхности грунта до этой границы.

Преломленные волны позволяют построить геометрическое положение преломляющей границы, определить среднюю скорость распространения над ней и скорость волн под границей. В условиях песчано-глинистых водонасыщенных грунтов полученные значения скоростей путем пересчета дают возможность определить величины модуля деформации.

Скорости упругих волн тесно связаны с плотностью горных пород, возрастая с ее увеличением; от заполнения пустот влагой с различной минерализацией, также зависит от давления и температуры. Поэтому методы сейсморазведки успешно применяются для изучения оползневых явлений и древних погребенных долин, картирования зон разломов и трещиноватости, определения уровня грунтовых вод и других задач.

Из других наземных геофизических методов для обследования объектов нефтяной промышленности применяются магнитная и гравиметрическая съемки, термометрическая съемка, ядерно-физические методы, а кроме них геохимические исследования, оптико-электронные методы и геодезические исследования, оптико-электронные методы и геодезические исследования скважин.

В процессе магнитной съемки изучается магнитное поле Земли и его составляющие. Основным параметром, по которому выделяются геологические тела в разрезе, является магнитная восприимчивость горных пород. Съемка повышенной точности позволяет расчленять по литологическим признакам осадочные породы, изучать трещиноватость скальных пород, проводить диагностику трубопроводов.

Гравиметрический метод исследования основан на изучении поля силы тяжести. Параметрам, определяющим возможность применения метода, является плотность горных пород. Она позволяет проводить геологическое картирование по признаку плотностной характеристики пород. В области развития скальных пород дает возможность прослеживать зоны разломов и крутые контакты, обнаруживать крупные карстовые полости.

Ядерно-физические методы ограничены гамма - и эманационной съемками. Гамма-съемка основана на изучении радиоактивного гамма-излучения горных пород. Эманационная съемка основана на определении содержания эманации радиоактивных веществ, находящихся в почвенном воздухе. Съемками успешно выделяются тектонические нарушения и геодинамические зоны.

При термометрической съемке изучается тепловое поле Земли. Измеряются температура и некоторые тепловые свойства пород. В результате наблюдений определяются места инфильтрации воды, влажность почвогрунтов и картируются места разгрузки подземных вод.

Геохимические методы, включающие атомно-абсорбционные, химические, флюоресцентные, класс-спектральные, хроматографические в сочетании с геологическими методиками позволяют выяснить участки аккумуляции и рассеяния токсичных элементов и нефтяных загрязнений. Для определения нефтепродуктов в объектах окружающей среды разработано три основных метода: гравиметрический, инфракрасная или ультрафиолетовая фотометрия, ядерно-магниторезинансная или газовая хроматография.

В первом методе проводится селективное выделение суммы нефтепродуктов из воды, почвы или поглотительных растворов, фильтров и сорбентов. С помощью фотометрии определяется содержание некоторых металлов или структурной характеристики молекул, входящих в состав нефтепродуктов, на основании которых делается заключение об общей концентрации нефтепродуктов. Последний метод применяют для полного определения всех возможных компонентов нефтепродуктов.

В настоящее время стали применяться оптико-электронные методы и средства контроля трубопроводов, которые параметры физических полей. Нефть, вытекающая на поверхность земли в случае аварии, имеет определенный контраст с фоном. Поскольку коэффициент излучения нефти тепловом диапазоне спектра отличается от естественного фона, то воздушная тепловизионная аппаратура (ВТА) может быть использована и для выявления скрытых нефтяных загрязнений. Но для повышения эффективности ВТА (в некотором роде термометрии) целесообразно дополнить способ активным спектрорадиометрическим каналом. Работа канала основана на регистрации спектра флуоресценции жидкой фазы или газовой фракции нефтепродукта.

Из современных геофизических технологий для решения геотехнических задач следует привлекать электрическую томографию и георадиолокацию. Первая технология реализует метод сопротивлений, используя многоэлектродные системы наблюдения, и ее можно рассматривать как систему электрических зондирований с частым шагом по профилю. Технология применяется для детального изучения геологической среды и в комплексе с единичными скважинами позволяет более эффективно решать поставленные задачи.

Георадиолокационный метод является, по-видимому, самым производительным и технологичным для решения некоторых технических задач. Он основан на использовании эффекта отражения электромагнитной волны от границ между геологическими средами, имеющими различные электрические свойства. Глубина проникновения радиоволн зависит от конкретных условий геологического разреза и, главным образом, от наличия глинистых и водонасыщенных слоев.