Физические предпосылки возможности оперативного косвенного контроля метана на нефтяных и газовых месторождениях

Владимир Шулейкин, д.ф.-м.н., Денис Никулин, Любовь Пущина, Институт проблем нефти и газа РАН

Одним из перспективных направлений мониторинга подземных хранилищ газа и нефтегазовых месторождений является неконтактный метод контроля концентрации метана в приземной атмосфере. Однако низкая концентрация СН4 в воздухе вынуждает применять для измерений высокоточные лазерные локаторы, которые из-за своих значительных массово-габаритных характеристик и времени развертывания не позволяют выполнять оперативные наблюдения.

Предлагаемый метод косвенной оценки концентрации метана основывается на выявленных причинно-корреляционных закономерностях процессов транспорта радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу. На практике этот метод реализуется на базе отечественной измерительной техники в режиме реального времени.

Атмосфера и Мировой океан являются теми резервуарами, куда из твердой оболочки Земли поступают продукты ее холодной дегазации – метан и его гомологи, водород, двуокись углерода и т. д. Сток СН4 в атмосфере обуславливают фотохимические реакции на гидроксиле с участием кванта солнечного излучения, а в Мировом океане - фиксация в карбонатах океанического дна. При средней продолжительности жизни молекулы метана в атмосфере порядка 5 лет постоянство его содержания достигается поступлением с земной поверхности ~ 2·1011 молекул СН4 с одного квадратного сантиметра в секунду, или, в более популярных единицах, - 2,0 л/м2 в год [1]. Примем эту величину за уровень среднего "фатального" сброса метана с единицы площади земного шара.

Концентрация метана в атмосфере

Рассмотрим временную изменчивость уровня "фатальных" потерь с единицы площади земной поверхности. Химический анализ газовых пузырьков в пробах льда Гренландии и Антарктиды [2, 3] показал, что 60 000 лет назад содержание метана в приземной атмосфере было ~ 0,5 * 10-4 об. %; 20 000 лет назад – 0,36 * 10-4 об. %; 10 000 лет назад, оно вернулось на уровень 0,5 * 10-4 об. %; 300 лет назад составляло 0,8 * 10-4 об. %.

Промышленная революция XVIII века вызвала рост концентрации метана в атмосфере, как следствие антропогенного сброса. По данным наблюдений, в 1975 году она была уже на уровне 1,4 * 10-4 об. %, а к 1987 году достигла величины ~1,7 * 10-4 об. %.

Если предположить, что климатические, сейсмические и деформационные процессы на Земле за 300 лет изменились слабо, то плотность потока метана с единицы площади земной поверхности сравнима с современной. Тогда, из-за явного отсутствия 300 лет назад антропогенного выброса метана в приземную атмосферу, можно утверждать, что его объемная концентрация – 0,8 * 10-4 об. %, - обеспечивалась только субвертикальным потоком почвенного воздуха.

Очевидно, что и до XVIII века метан, выносимый с потоком летучих газов почвенного воздуха, был единственным источником поддержания его объемной концентрации в атмосфере. Тогда, в ретроспективе 60 000 лет тому назад, величина плотности потока метана из земных недр в атмосферу будет лежать на уровне 1,25 л/м2 в год; 20 000 лет назад – 0,9 л/м2 в год; 10 000 лет назад – 1,25 л/м2 в год.

Сброс метана в атмосферу над залежью УВС

Пространственная нестабильность потока метана в атмосферу также существует и зависит от тектонического строения, геодинамического и сейсмического режимов регионов. Над древними платформами и щитами его объемная концентрация в атмосфере оценивается величиной порядка 1,7·10-4 об. %. При переходе к молодым платформам и геосинклиналям начинается ее рост в диапазоне от 2,65·10-4 до 3,3·10-4) об. %.

Нефтяным и газовым месторождениям, даже в сейсмоспокойный период, присуще наличие шлейфа летучих углеводородов над залежью [4]. Естественно, что этот шлейф приводит к превышению "фатального" сброса метана в черте контура залежи, увеличивает его концентрацию в приземной атмосфере. Так, над нефтяными и газовыми структурами Бухаро-Чарджоуской тектонической ступени имеет место превышение "фатального" сброса в 1,5-2,0 раза. В преддверьи резких изменений режима сейсмичности эти превышения могут достигать порядков.

Оперативный контроль превышения уровня "фатальных" потерь метана с единицы площади земной поверхности или его объемной концентрации в атмосфере может быть эффективно использован в задачах разведочной геофизики, бесконтактного мониторинга режимов эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, подземных хранилищ углеводородного сырья. Однако, если на сегодняшний день фоновый уровень концентрации метана в атмосфере можно оценить величиной порядка 2 * 10-4 об. %, то пороговый уровень чувствительности современных датчиков (за исключением лазерных) составляет величину порядка 0,25 – 0,5 об. %. Здесь необходимо отметить, что измерительные комплексы на базе лазерных локаторов характеризуются значительными массово-габаритными характеристиками, а также весьма высокой стоимостью, что обуславливает низкую скорость их развертывания и, как следствие, невозможность их применения для оперативного контроля залежей и ПХГ.

Другими словами, прямые оперативные измерения содержания СН4 в атмосфере в диапазоне концентраций 2 * 10-4 – 2,5 * 10-1 об. % не могут быть поставлены (или существенно затруднены). Рассмотрим возможность оперативного косвенного контроля СН4 в выделенном диапазоне изменения объемных концентраций с использованием нетрадиционных геофизических методов наблюдений.

Анализ возможностей косвенного контроля выноса метана

Ингредиенты глубинного субвертикального потока летучих газов, в состав которого помимо метана и гомологов входят Н2, СО2, Не, N2 и т. д., по мере подъема, особенно в зонах повышенной трещиноватости, стремятся обособиться в самостоятельные фазы в виде отдельных пузырьков [5]. По мере дальнейшей миграции к дневной поверхности эти пузырьковые образования становятся естественными дегазаторами, куда стекает наряду с другими газами радон, образующийся в подземных водно-газовых системах при распаде растворенного в них радия.

С глубины последних метров - десятков метров относительно дневной поверхности, радон, захваченный пузырьковыми образованиями летучих газов, частично выносится в приповерхностную атмосферу. По данным многочисленных экспериментальных наблюдений, соотношение концентрации эманации радона в грунте на этих глубинах и концентрации его эксхаляции в приповерхностной атмосфере соотносятся, как 100:1. и даже более [6, 7].

Согласно представлениям теории приземного атмосферного электричества [8, 9] эксхалирующий радон почвенного воздуха является единственным естественным ионизатором атмосферного воздуха. Т. е. характеристики объемного заряда приземного воздуха содержат в себе информацию о локальной плотности и ритмике субвертикальных потоков летучих газов, в том числе и метана. Здесь следует еще раз обратиться к соотношению между концентрацией эманации радона в грунте и концентрацией его эксхаляции в атмосфере. Обеднение концентрации радона в грунте всего на 1% за счет дополнительного его выноса летучими газами в атмосферу приведет приблизительно к 2-кратному увеличению скорости ионизации, или, переходя к конкретным параметрам приземного атмосферного электричества, - к 2-кратному спаду атмосферного электрического поля и 2-кратному росту полярных проводимостей воздуха. Другими словами, параметры приземного атмосферного электрического поля очень чувствительны к изменениям плотности субвертикального потока летучих газов.

При наличии только диффузионной скорости миграции пузырьковых образований за временной интервал 3-х периодов полураспада радона (Rn = 3,825 дня), за который концентрация газа-эманации падает (приблизительно) на порядок, глубина переноса Rn в рыхлых отложениях составит 4-6 метров [10]. При наличии конвективной составляющей скорости субвертикальной миграции она может увеличиться до 20-30 метров [10, 11].

Воспользуемся данными о химическом составе и концентрациях летучих газов в различных геологических структурах Земли [12]. Из графиков рис. 1 очевидна доминирующая роль метана в составе глубинного субвертикального потока летучих газов в выделенных геологических структурах. Теперь, исходя из реальных данных по составу и концентрациям летучих газов, оценим степень их участия в переносе радона.

Допустим, что пузырьковые образования летучих газов имеют одинаковые размеры и вероятность транспорта ими почвенного радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу одинакова. Тогда степень их участия в этом процессе будет пропорциональна их объемным концентрациям и обратно пропорциональна молекулярному весу. Оценим этот параметр для геологических структур, концентрации летучих газов в которых представлены на рис. 2. Поскольку информация об объемной концентрации окиси углерода на платформах и массивах щелочных пород отсутствует ([12], рис. 1), то положим ее равной нулю.

По сравнению с графиками на рис. 1 картина несколько изменилась. Помимо метана перенос радона в приповерхностных слоях грунта и его эксхаляция в атмосферу будет столь же эффективно осуществляться и водородом почвенного воздуха – следствие малого молекулярного веса этого летучего газа. Вклад оставшихся летучих газов – менее 10%. Более того, хорошая повторяемость отношения степени участия метана и водорода в переносе радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу для щитов, массивов щелочных пород и платформ (СН4/Н2) = 1,34; 1,33; 1,20 (см. рис. 2) позволяет утверждать, что вариации концентрации метана можно достаточно уверенно отслеживать по вариациям концентрации водорода.

Сравнительный анализ графиков рис. 2 показывает, что (в рамках рассматриваемых предположений) на щитах, массивах щелочных пород, платформах и древних складчатых областях, экранированных осадочным чехлом, степень участия всех перечисленных газов в транспорте радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу практически одинакова. Коэффициенты корреляции степени участия в транспорте рассматриваемых летучих газов для различных геологических структур близки к единице: k(платформы/масс. щел. пород) = 0,996, k(платформы/щиты) = 0,997.

Необходимо уточнить, что при оценке степени участия тяжелых углеводородов в транспорте радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу их суммарные объемные концентрации делились на молекулярный вес m(C2H6) = 30 – самого легкого их них. Т. е. участие гомологов метана в переносе радона, по сути, будет еще меньше оценок, представленных на рис. 2.

Приведем аналогичные оценки по результатам химического лабораторного анализа проб, полученных из 7 скважин, вскрывающих горизонты 200-800 метров на территории газохранилища (см. рис.3). Как и следовало ожидать, на площади искусственного месторождения в транспорте радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу доминирует метан.

Представленные выше оценки построены на данных лабораторного анализа проб, полученных из скважин с глубиной сотни метров – первый километр относительно дневной поверхности. Естественно, что формальный перенос информации о зарегистрированной в них концентрации летучих газов на глубины первых метров – десятков метров относительно дневной поверхности, физически не оправдан. Поэтому воспользуемся результатами наблюдений, представленных в экспериментальной работе [5], выполненной на Калужской кольцевой структуре.

Здесь, помимо измерений почвенного радона с глубины порядка 0,8 м относительно дневной поверхности, на двух линейных профилях общей протяженностью 20 и 18 км на 8 наблюдательных пикетах отбирались пробы почвенного воздуха для последующего лабораторного геохимического анализа (см. рис. 4).

Представленные результаты имеют весьма характерные особенности. Во-первых, субвертикальный поток летучих газов практически полностью представлен азотом и двуокисью углерода. Во-вторых, концентрации этих двух газов меняются в противофазе и охвачены жесткой корреляционной связью k(N2/CO2) = (-0,99) при отсутствии корреляционной связи с метаном и водородом k(H/N2;CO2) = (0,28; 0,29). И, наконец, коэффициент корреляции водорода и метана тоже очень высок k(H/CH4) = 0,96. Предваряя дальнейшие рассуждения, рассмотрим еще один график (см. рис. 5) – изменение объемной активности радона и объемных концентраций метана и водорода на тех же 8 наблюдательных пикетах.

Коэффициенты корреляции для двух дискутируемых летучих газов и радона на рассматриваемых 8 пикетах очень велики: k(Rn/H2) = 0,84 , k(Rn/CH4) = 0,89. Наблюдаемый незначительный спад коэффициентов корреляции по сравнению с аналогичным анализом графиков рис. 4 имеет понятное физическое объяснение – если при химическом лабораторном анализе проб удается достигать точности порядка единиц ppm, то точность единичного оперативного отсчета датчика радона находится на уровне 30%.

Рассчитанные коэффициенты корреляции позволяют утверждать, что по результатам наблюдений на Калужской кольцевой структуре азот и двуокись водорода, несмотря на превышение на порядки по концентрациям водорода и метана, не принимают участия в транспорте радона в приповерхностные слои грунта. За этот перенос ответственны только два из четырех анализируемых летучих газов почвенного воздуха – водород и метан.

Анализ результатов позволяет утверждать, что комплекс таких геохимических и геофизических характеристик, как объемные концентрации водорода и метана почвенного воздуха, объемные концентрации радона почвенного воздуха и приземной атмосферы и атмосферное электрическое поле и полярные проводимости воздуха, достаточно жестко связаны между собой. Пузырьковые образования летучих газов – водорода и метана - по мере субвертикальной миграции выступают в качестве газов-носителей радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу. В зависимости от диффузионного или диффузионного и конвекционного субвертикального потока летучих газов глубина захвата и транспорта почвенного радона будет варьировать в пределах 4-30 метров. При этом 99% или даже более транспортируемого радона будет распадаться в грунте; остаток, - порядка 1% или меньше - будет эксхалировать в приповерхностную атмосферу.

Ионизация атмосферного воздуха эксхалирующим почвенным радоном создает приземный объемный заряд, поле которого будет меняться обратно пропорционально плотности потока водорода и/или метана. В то же время полярная проводимость этого заряда меняется пропорционально плотности потока водорода и/или метана…

Представленные материалы и их анализ позволяют сделать ряд следующих заключений и рекомендаций:Исследованы причинно-корреляционные связи процессов транспорта радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу с субвертикальным потоком летучих газов с последующей ионизацией атмосферного воздуха. Выявленные закономерности могут быть успешно использованы для косвенной оценки превышения "фатального" сброса метана в атмосферу или его концентраций в приземном воздухе. Предлагаемый измерительный комплекс, базирующийся исключительно на отечественной аппаратуре, позволяет на практике получать результаты в режиме реального времени. На сегодняшний день предлагаемые методики наблюдений защищены двумя патентами РФ.

Литература

1. Ehhalt D. H. The Atmosphere cycle of Methane, Tellers, 1974, v 26, N 1-2, p. 58-70.

2. Stauffer B. Methane concentration in the glacial atmospheric was only half in the preindustrial Holocene, Nature, 1988, v 332, No 6167, pp 812-814.

3. Stauffer B. Increase of the atmospheric methane recording in the Antarctic ice core, Science, 1985, v 229, No 4720, pp 1386-1388.

4. Основы теории геохимических полей углеводородных скоплений. Сб. под ред. Петухова А. В., Старобинца И. С., М, Недра, 1993, с. 332.

5. Козлова Н. С., Рудаков В. П., Шулейкин В. Н., Войтов Г. И., Баранова Л. В. Эманационные и электрические эффекты в атмосфере подпочв над Калужской импактной кольцевой структурой. Российский журнал наук о Земле, 1999, том. 1, № 6, с. 503-510.

6. Сисигина Т. И. Измерения эксхаляции радона с поверхности горных пород, сб. "Вопросы ядерной метеорологии", 1962, М, Госатомиздат, с. 104-117.

7. Сисигина Т. И. Эксхаляция радона с поверхности нескольких типов почв Европейской части СССР и Казахстана. Сб. "Радиоактивные изотопы в атмосфере и их использование в метеорологии", 1965, М, Атомиздат, с. 40-48.

8. Тверской П. Н. Курс метеорологии, 1951, Л, Гидрометиздат, с. 887.

9. Чалмерс Дж. Атмосферное электричество, Л., Гидрометиздат 1974, с. 422.

10. Баранов В. И. Радиометрия, М, Издательство АН СССР, 1956, с.343

11. Шулейкин В. Н. Атмосферно-электрическая индикация геологических неоднородностей и геодинамических процессов. Труды 5-ой Российской конф. по атм. электричеству, 2003, Владимир, т. №2, с. 80-82.

12. Войтов Г. И. Химизм и масштабы современного потока летучих газов в различных геоструктурах Земли. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева, 1986, том XXXI, № 5, с. 533 – 540 (53 – 60).

13. Шулейкин В. Н. Результаты наблюдений полярных проводимостей почвенного воздуха в черте городской застройки. Сб. "Развитие методов и средств экспериментальной геофизики" под ред. А. В. Николаева, вып. 2, М, 1996, с. 235-240.

14. Шулейкин В. Н., Поликарпов А. М. Вопросы метрологии профильных наблюдений атмосферного электрического поля. Тр.ВНИИФТРИ "Метрология геофизических измерений" 1991, с. 15.

15. Шулейкин В. Н. Приземное атмосферное электричество – природа, связи, практическое использование. Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности, Вып. 2, М., Геос, 2002, с. 62-72.

16. Стыро Б. И. Вопросы ядерной метеорологии. 1959, Вильнюс, с. 418.

Приводится в сокращении. Полный текст статьи будет опубликован в журнале "Технологии ТЭК", №1/2004