Gravimetrické monitorování průběžného stavu podzemních zásobníků plynu (PZP)

Fyzikální předpoklady

Pokud se zaměříme na odlišnost hmotností a hustoty zkoumaného objektu od okolní hmoty, dostaneme se ke gravitační anomálii, jejíž amplitudy a rozložení jsou dány rozměry zkoumaného objektu a hloubkou jeho uložení. V posuzovaném případě je zkoumaným objektem ložisko plynu a kondenzátu, anebo podzemní plynový zásobník. Procesy výměny hmoty, spojené v prvním případě s odběrem plynu a změnou kontaktu mezi plynem a vodou (PVK) a ve druhém s cyklickými procesy – plněním zásobníku a jeho následným vyprazdňováním cestou odčerpání plynu a také přemístěním PVK, vytvářejí následně variace gravitačního zrychlení o několika mikroGalech (μGal), registrovaných při opakovaných měřeních.

Podstatou gravimetrického monitorování jsou opakovaná gravimetrická pozorování v zafixovaných bodech na ploše ložiska či PZP a následná analýza získaných změn gravitace:

V rozdílových hodnotách se kompenzují všechny příspěvky ke gravitačnímu zrychlení, které zůstávají trvalé pro daný bod po celou dobu monitorování. Zůstává tak pouze vliv složek proměnných v čase, mezi nimi i informativní složka pro kontrolu komponentu spojeného s procesy látkové výměny (odběr plynu, jeho průtok, přítok spodní vody z těženého ložiska). Extrakce tohoto komponentu v co možná nejčistší podobě a jeho vyhodnocení je pak základním obsahem gravimetrického monitorování.

Technické předpoklady

pektrum geologického využití gravimetrických měření se prudce rozšířilo po roce 2005 v souvislosti s využitím gravimetru CG5 kanadské firmy „Scintrex“. Ten umožňuje měření už od 1 μGal, přitom s nepatrnou odchylkou nulového bodu a unifikovanými stabilními charakteristikami. To vše umožňuje – při odpovídající metodice – dosáhnout terénní přesnosti měření na úrovni 2 μGal. Přibližně stejnou úroveň přesnosti pozorování zajišťují rovněž moderní terénní balistické gravimetry, což potvrzuje zkušenost s jejich používáním v letech 2010-2011.

V roce 2012 se začínají zavádět do provozní praxe vrtné gravimetry nové generace rovněž firmy „Scintrex“, které zajišťují přesnost připojení měřících bodů podle svislice s chybami ± 2 μGal.

Takto pro monitorování těžby ložisek plynu a kondenzátu a průběžného stavu PZP může být použit soudobý gravimetrický komplex zahrnující:

  1. Statické gravimetry CG-5) pro měření plošných změn gravitačního zrychlení, spojených s odběrem plynu nebo plněním zásobníku a změnou hladiny PVK.
  2. Polní balistický gravimetr GABL-M, využitelný k absolutnímu pozorování gravitačního zrychlení mimo obrysové body, což dovolí kontrolu stability výchozích hodnot na těchto bodech.
  3. Vrtný gravimetr GRAVILOG, využitelný k registraci změn gravitačního zrychlení v zóně bezprostředního kontaktu fluida a umožní je spojovat s povrchovými plošnými pozorováními. V současnosti ovšem k dispozici nejsou žádné relevantní údaje o jeho použití ke gravimetrickému monitorování.
Polní balistický gravimetr GABL-M Statické gravimetry CG-5

 

Porovnání se stávajícími způsoby kontroly

Při monitorování hladiny vody ve stávajících ložiscích ropy i plynu a také PZP jsou běžně používány zkušební pozorovací vrty, s jejichž pomocí se provádějí příslušné geofyzikální výzkumy vrtů (GVV). V některých případech, zejména z nezbytnosti rozšíření prostoru pozorování, se společně s GVV ještě provádí 4D seismický průzkum.

Sledovaní růstu hladiny vody pomocí neutron-gama karotáže (NGK) v pozorovacích vrtech je v současné době nejpřesnější, má však svá omezení:

  • Řídká síť vrtů, která nepokrývá celou oblast ložiska;
  • Pozorování v samotných vrtech je omezeno na okruh několika desítek cm a nedává prostorovou představu o pravděpodobném zvýšení PVK
  • Metodou NGK je jednoznačně obtížné stanovit pozici PVK v případech, kdy se rovina kontaktu nachází v hliněných vrstvách
  • Výsledky NGK mohou být zkreslené při zavodnění vrtu, kdy je špatná pevnost vodotěsného cementu nebo špatný kontakt s horninou a pažnicovou kolonou, což může vést k mylné představě o momentálním stavu PVK.

Omezení monitoringu zvyšování úrovně PVK pomocí 4D seismického průzkumu pro prostorovou představu o změnách PVK v celé oblasti ložiska nebo PZP:

  • Vysoké náklady na práci
  • Dlouhé trvání polních pozorování a jejich zpracování
  • Relativně nízké rozlišení údajů k posouzení vzestupu PVK (ne lepší než 5 – 10 m)
  • Složitost nebo praktická nemožnost opakovaných pozorování na pravidelné polygonální sítí především v těch prostorách stávajících ložisek nebo PZP, které se nacházejí pod průmyslovou infrastrukturou
  • Vysoká úroveň hluku, spojená s klimatickými podmínky a vlivem antropogenních faktorů.

Výhody monitoringu úrovně PVK pomocí vysoce přesného gravimetrické pozorování, umožňujícího získat prostorovou představu o změnách PVK v celé oblasti ložiska nebo PZP:

  • Schopnost provádět měření v krátkém časovém období na velkých plochách v průběhu celého roku;
  • Relativně jednoduchá a ekologicky bezpečná technologie polních pozorování, protože použité přístroje mají malé rozměry a hmotnost a fungují autonomně;
  • Relativně nízké náklady na celý cyklus pozorování a jeho zpracování;
  • Rychlost zpracování a interpretace, která umožňuje získání finálních výsledků již na konci sezóny;
  • Možnost souběžného geodetického monitorování případného sesedání půdy v ložiscích, nebo PZP.

Gravimetrické monitorovaní při těžbě ložisek ropy i plynu

V posledních letech se gravimetrické monitorování používá při těžbě ložisek ropy i plynu po celém světě. V příloze jsou uvedeny příklady monitorování stavu ložiska plynu i ropy na nalezišti Sleipner v Norském moři; hodnocení náběhové hrany vháněné vody do roponosné horniny při zabránění snížení tlaku u ložiska ropy Prudhoe Bay na Aljašce; monitoring zvyšování úrovně PVK u ložiska ropy a plynu Zapoljarnoje v západní Sibiři.

 

Vypočtená změna hmotnosti v plynovém kolektoru Sleipner ØstT mezi roky 2002 až 2005 Kladné hodnoty označují zavodnění, záporné jsou spojeny s odběrem plynu Prognóza náběhových hran vháněné vody za období roku 2005 (červená čára) a 2007 (modrá čára).

 

 

 

Zavodnění naležistě při těžbě

 

Předchozí zkušenosti při kontrole stavu PZP

V Rusku byla zkušební varianta gravimetrického měřen, použitelného ke kontrole využívání PZP zahájena v roce 1975. Pozorování byla prováděna na Nevskom, Kalužskom a Schelkovskom PZP v průběhu 10 let. Výsledky ukázaly na jejich geologickou efektivitu a umožnily zformulovat řadu úkolů, které mohou být řešeny při režimních pozorováních na PZP. Například byli stanovený směry přetékání plynu za hranicemi zásobníku plynu a prostory jeho druhotné akumulace (což bylo potvrzeno následným vrtání) a také stanovený zóny nenasycenosti kolektoru kde těžební vrty rychle se zavodňují během odběru plynu.

Bohužel, postupný přechod ze zkušebního monitoringu na provozní cyklus pozorování byl omezen technickými charakteristikami v té době sériově vyráběné gravimetrické techniky (přesnost měření na úrovni 10 μGal byla dosahována pouze při současném použití skupiny pečlivě vybraných gravimetrů), nedokonalostí programového zajištění a nedostatečným propracováním otázek, spojených se zahrnutím celého spektra faktorů, zkreslujících cílový signál.

Proto byly koncem 80. let tyto práce zastaveny, aniž by došlo k ukončení zkušebně-metodické doby. Nicméně dosažené výsledky jednoznačně potvrdily principiální možnost využití vysoce přesné gravimetrie ke kontrole těžby plynových ložisek a kontrole průběžného stavu využití PZP.

 


Cykličnost změny gravitační sily v závislosti na cykličnosti vhánění-odběru plynu

A – počáteční fáze; B – fáze primárního vhánění plynu; C – fáze cyklického procesu.

Cyklický proces výběru a vhánění plynu má za následek vznik kvaziperiodických oscilací v gravitačním poli. Zjištěné parametry těchto procesů lze využít k teoretickému odhadu změn gravitace a srovnání s reálnými daty.

 

 

 

Průměrná křivka gravitace (1) podle gravimetrického měření v závislosti na změnách v objemu plynu v roponosné hornině (2,3)

Spolehlivost údajů potvrzuje velký počet pozorování – 50-60 v jedné sérii za současného použití více než 10 zařízení. Chyba měření – 10 μGal

 

 

 

Vícevrstvé PZP

Roponosná hornina – písky, tloušťka pískovce a prachovce cca 21 m, pórovitost- 30%, hloubka – 715 m. V hloubce 1020 m je pískovcová vrstva o tloušťce 10 m s pórovitostí – 10-21%

 

 

 

Výsledky gravimetrického měření v letech 1975 – 1981. PZP se nalézá v sedimentech vrchního devonu

1 – místo vhánění plynu, 2 – okruh ložiska podle GVV, 3, 4 – gravimetrické body, 5 – pásma zvýšeného gravitačního zrychlení (zvodnění), 6 – zóny sníženého gravitačního zrychlení (rozšíření plynového zásobníku), 7 – pásmo střídavého pole (nestabilní přemísťování plynu), 8- směry přemísťování plynu a oblastí porušení hermetičnosti ložiska), 9 – hranice možného šíření plynu (okruh PVK) podle GVV, 10 – oblasti nenasycenosti kolektoru v okruhu PVK, 11 – předpokládané oblasti sekundární akumulace plynu

 

 

Výsledky gravimetrické měření v v letech 1975 – 1982 PZP v Dolní Cambrian – pískovec.

Hloubka – 650 až 760 m, tloušťka kolektoru: Jižní část – 12 až18 m, na severozápadě-6 až 10 m

1 – index míst vhánění plynu , 2 – okruh ložiska podle GVV, 3 – pásma zvýšeného gravitačního zrychlení (zvodnění), 4 – zóny sníženého gravitačního zrychlení (rozšíření plynového zásobníku), 5 – pásma střídavého pole, 6 – nejpravděpodobnější směry přemísťování plynu mimo oblasti PZP, 7 – úsek laterálního a vertikálního přemísťování plynu z jižní části PZP, 8 – tektonická porucha podle gravimetrických údajů, 9 – průzkumný vrt, doporučený pro testování v severozápadní oblasti

 

 

 

Výsledky gravimetrického měření v letech 1975 – 1981 PZP v Cambrian-Ordovických sedimentech.

Pískovec má hloubku 616 až 710 m a tloušťku až 56 m.

1 – místo plynového vhánění, 2 – okruh PVK podle GVV, 3 – zóny zvýšené gravitace (zvodnění), 4 – oblasti zmenšené gravitace (rozšíření plynového zásobníku), 5 – jádro Raga-Atesskogo gravitačního minima, 6 – předpokládaná oblast nenasyceností kolektoru v okruhu PVK, 7 – mez roztékání plynu (gravitační anomálie – 0 μGal), 8 – maxima hydroplynogeochemické anomálie, 9 – předpokládaný okruh PVK podle gravimetrie a geiochemie, 10 – vrty podle gravimetrických údajů které odhalily kolektor nasycený plynem, 11 – předpokládané druhotné akumulační oblastí plynu mimo hlavní zásobník

 

Úloha a místo gravimetrického monitorování v komplexu metod kontroly tekutého stavu PZP

Kontrola obrysu plynonosnosti

Ke kontrole slouží vstupní a opakovaná gravimetrická pozorování na PZP a za jeho hranicemi. Určí se poměr izočar lokálního gravitačního pole k obrysu plynonosnosti  PZP v etapách maximálního plnění a vyprazdňování PZP . První měření jsou referenční pro opakovaná měření a určují interval možných nesouladů izoanomálií a obrysu plynonosnosti. Nesoulad u stanovených zákonitostí následně svědčí o změnách obrysu plynonosnosti..

Změny síly gravitace se vypočítávají ze vztahu k základním bodům ustanoveným vně PZP. Síť pozorovacích bodů je rozložena jak uvnitř obrysu stanovené plynonosnosti, tak i částečně za jejími hranicemi. Rozměry dodatečné plochy určí geologická struktura oblasti, kde se nachází PZP, a možná přítomnost zón migrace plynu s jeho druhotnou akumulací vně PZP.

Zjištění porušení nepropustnosti zásobníku plynu, stanovení směru přetečení plynu a prostoru jeho druhotné akumulace

Zjišťuje se po úsecích destrukce zón zvětšení gravitačního zrychlení a rozvoj gravitačního minima za hranicemi obvodu plynového ložiska nad kladnými strukturálními prvky.

Stanovení přítoku migrujícího plynu do ložiska při jeho odběru

O přítomnosti přítoku plynu při odběru svědčí snížení nebo stálost hodnot gravitačního zrychlení namísto očekávaného zvýšení.

Prostorová představa o změnách PVK na PZP

O lokálním přemístění PVK svědčí rozvoj lokálních gravitačních maxim uvnitř PVK při odběru plynu a jejich následné snížení nebo zmizení po naplnění zásobníku. Hodnotu svislé přemístěné roviny kontaktu plyn – voda určí amplituda lokální anomálie.

Geodetické pozorování – složka gravimetrického monitorování

Gravimetrické monitorovaní vyžaduje vysoce přesné geodetické měření. To znamená, že jeho využití ke sledování geodynamických procesů je možné.

 

Sesedání půdy (v milimetrech) při geodetickém monitoringu v porovnání se změnami tlaku v zásobníku

a) pro období od září 2007 do září 2008.

b) pro období září 2007-září -2009.

c) pro období září 2007-září 2010