CC BY
298
УДК 551.24 Ю.О. Кузьмин ИФЗ РАН, Москва
ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОЛИГОНЫ - ЭФФЕКТИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
Yu.O. Kuzmin
Institute of Physics of the Earth named for O.Yu. Schmidt RAS
GEODYNAMIC TEST-AREAS AS ECOLOGY - INDUSTRIAL SAFETY OIL AND GAS OBJECTS EFFECTIVE PROVISION INSTRUMENT
Presence SD of processes is shown, that, is especial in platform, aseismically regions, dictates necessity of transition from concept «an active fault» to concept «a dangerous fault» and radical correction of the existing normative documents regulating industrial and ecological safety of objects of a various special-purpose designation.
Developed in work methodical and interpretation approaches can be used at carrying out of geodynamic monitoring and an estimation of geodynamic risk of oil and gas objects and other especially responsible and ecologically dangerous objects.
Среди различных видов последствий длительного освоения месторождений углеводородов (загрязнение нефтепродуктами гидросферы и почв, загрязнение атмосферы продуктами сгорания попутного газа и др.) внимание специалистов стали привлекать геодинамические последствия освоения месторождений углеводородов, такие как аномальные деформации земной поверхности и проявление сейсмичности в районах нефтегазодобычи. Характерно, что эти последствия сопровождаются значительным экономическим ущербом
Зарегистрированы случаи проявления землетрясений, в том числе сильных, в районах освоения месторождений углеводородов в США, Канаде, Франции, России, Туркменистане, Узбекистане и других регионах. Установлена связь процессов подготовки этих событий с процессами разработки месторождений нефти и газа.
Выполненный анализ деформационных последствий длительного освоения месторождений углеводородов показал следующее.
Инструментально зарегистрированы обширные просадки земной поверхности территорий разрабатываемых месторождений, которые достигают весьма значительных величин: нефтяное месторождение
Willmington (США) - 8.8 м; нефтяное месторождение Lаgunillas (Венесуэла) -4.1 м; нефтяное месторождение Ekofisk (Норвегия) - 2.6 м; нефтяное месторождение Сураханы (Азербайджан) - 3м; Северо-Ставропольское газовое месторождение - 0.92 м и т.д.
Наиболее опасные формы этих последствий - сильные деформации наземных сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн
эксплуатационных скважин, порывы промысловых трубопроводных систем
[2, 3].
Интенсивное (более 1 м), обширное проседание земной поверхности территории всего разрабатываемого месторождения нефти или газа возникает крайне редко, как правило, только при сочетании следующих условий:
Л
значительная площадь разрабатываемого месторождения (порядка 100 км и более); значительная мощность продуктивных отложений (как правило, более 100 метров); относительно небольшая глубина разрабатываемых интервалов геологического разреза (до 2000 метров); высокая пористость пород резервуара (порядка 25 - 30% и более); аномально высокое пластовое давление и его относительно быстрое снижение в процессе освоения; превалирование литостатических напряжений в пределах месторождения над тектоническими.
Это во многом понятно, если учесть, что подавляющее большинство нефтегазовых месторождений - это локальные поднятия, образованные складками продольного или поперечного изгиба. В эти структуры «вморожены» структурообразующие тектонические усилия, стремящиеся приподнять земную толщу, расположенную над продуктивным горизонтом. Поэтому обширные просадки территории всего месторождения возможны только в том случае, когда литостатическое давление, направленное вниз, преодолеет тектонические напряжения, сформировавшие ловушку.
Именно поэтому, в отличие от месторождений твердых полезных ископаемых (рудных, угольных), где основной формой негативных деформационных последствий являются обширные просадки земной поверхности территории всего месторождения, на месторождениях жидких УВ наиболее опасные деформационные процессы - интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений в зонах разломов, возбужденные процессами разработки.
Эти аномальные подвижки высокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1 - 1 год), пространственно локализованы (0.1 - 1 км), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью. Среднегодовые скорости относительных деформаций для них чрезвычайно высоки и составляют величины порядка 5^10-5 - 10-4 в год. Поэтому их называют суперинтенсивными деформациями (СД) земной поверхности, а разломы, в пределах которых они выявляются, определены, как «опасные» [1, 2, 3], т.к. в них достигается аномально высокий уровень деформаций, соизмеримых с порогом разрушения, за время сопоставимое с периодом эксплуатации объектов
Активизация разломных зон (СД процессы) широко распространенное явление. К настоящему времени не удалось обнаружить ни одного месторождения нефти и газа, в пределах которых были проведены мониторинговые измерения деформаций, на которых отсутствовали бы суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов.
Известны многочисленные примеры негативных последствий активизации СД процессов на месторождениях УВ. Среди них:
- Нефтяное месторождения Усть-Балык (Западная Сибирь) - смятие и слом обсадных колонн добывающих скважин, порывы промысловых трубопроводных систем.
- Нефтяное месторождение Тенгиз (Казахстан) - серьезные
осложнения при строительстве глубоких скважин.
- Ромашкинское нефтяное месторождение (Татарстан) - смятие и слом обсадных колонн скважин в зонах разломов.
- Нефтяное месторождение Саматлор (Западная Сибирь) -
аварийность скважин в зонах аномальной деформационной активности разломов.
Таким образом, становится очевидным, что современная аномальная геодинамика разломов является существенным фактором эколого-
промышленной опасности объектов нефтегазового комплекса, что нашло свое отражение в целом ряде нормативных документах.
Так, в СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства», регламентирован уровень геодинамического риска в районах развития опасных природных и техноприродных процессов (п. 10), а также в районах современных разрывных тектонических смещений (п. 10-64, 10-65, 10-67). При этом указано, что мониторинг следует проводить даже на территориях построенных объектов, если он ранее не выполнялся, а в процессе эксплуатации возникли предположения о влиянии тектонических факторов на устойчивость и надежность сооружений.
В «Критериях оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия», (Роскомэкология, 1992) имеется раздел «изменения геологической среды» в котором предписано территории на которых уровень относительных деформаций равный 10-5 может быть достигнут за 15 - 30 лет, считать зонами чрезвычайной экологической ситуации.
Все это свидетельствует о необходимости тщательного учета современной аномальной геодинамики недр путем организации геодинамического мониторинга при помощи специально созданных геодинамических полигонов.
К настоящему времени в научной, учебной и справочной литературе укоренились следующие геодинамические определения [2, 3 , 4].
Геодинамика - научная дисциплина, изучающая движения, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и причины этих движений.
Современная геодинамика - раздел общей геодинамики, изучающий движения земных недр и причины, их вызывающие, когда время действий последних соизмеримо с длительностью самого процесса наблюдений.
Геодинамический мониторинг - система постоянных и/или непрерывных наблюдений, анализа и прогноза современного геодинамического состояния геологической среды, проводимая в рамках заданного регламента в пределах рассматриваемой природно-технической системы.
Геодинамический полигон - основная форма организации геодинамического мониторинга линейно ограниченных объектов, представляющая собой совокупность повторных, иерархически построенных систем профильных или обсерваторских наблюдений за современным геодинамическим состоянием природно-технических систем.
Создание и функционирование геодинамических полигонов на месторождениях нефти и газа, осуществляется в целях обеспечения промышленной безопасности и охраны недр и регламентируется следующими нормативными документами Ростехнадзора:
- РД 07-309-99 («Положение о порядке выдачи разрешений на застройку площадей залегания полезных ископаемых», п. 43);
- РД 07-408-01 («Положение о геологическом и маркшейдерском обеспечении промышленной безопасности и охраны недр», п. 16);
- РД 07-603-03 («Инструкции по производству маркшейдерских работ», п.п. 262 - 267).
Обобщая опыт работ на многочисленных полигонах, организованных, как в нашей стране, так и за рубежом, можно сформулировать следующие оптимальные требования к регламенту наблюдений (густота пунктов, точность измерений и интервал между повторными наблюдениями) и составу методов [2, 4].
1. Деформационные наблюдения
1.1. Вертикальная составляющая. Наблюдения выполняются с помощью высокоточного повторного нивелирования при соблюдении следующих условий:
- Линии повторного нивелирования должны пересекать (выходить за контур) территорию месторождения, как вкрест, так и вдоль его простирания.
- Профили должны быть проложены с максимальным использованием заложенных ранее пунктов ГГС.
- Конфигурация линий повторного нивелирования должна захватывать (пересекать) основные разломные зоны, объекты инфраструктуры и наиболее крупные населенные пункты, расположенные в пределах месторождения.
- Густота нивелирных пунктов должна быть максимальна в пределах месторождения и местах пересечения разломных зон, а за его пределами должна обеспечивать отслеживание фоновой ситуации. Расстояние между нивелирными пунктами в пределах месторождения должна быть порядка 0.3 -0.5 км, в зонах разломов - 0.1 км, а за его пределами - 1 км.
- Точность нивелирования должна соответствовать технологии II класса.
- Интервал между повторными наблюдениями должен составлять 2 раза в год в начальной стадии мониторинга (первые 1 -2 года), а затем, в зависимости от темпов развития аномальных деформационных процессов, 1 раз в год.
При этом следует иметь в виду, что при более длительных интервалах между повторными наблюдениями (например, 1 раз в 2-3 года и более), полностью утрачивается возможность исключения сезонных (метеорологических) факторов-помех, которые могут принципиально исказить результат наблюдений.
1.2. Горизонтальная составляющая. В последние годы горизонтальную компоненту деформаций регистрируют с помощью высокоточных GPS-измерений. Регламент этих наблюдений идентичен регламенту регистрации вертикальной составляющей деформационного процесса. Главное условие -необходимость совмещения наблюдательных систем (спутниковых и наземных).
2. Гравиметрические наблюдения
При высокоточных, повторных гравиметрических наблюдениях на геодинамических полигонах целесообразно использовать зарубежные гравиметры. Например, гравиметры С G-5 AutoGraf в которых предусмотрен автоматический расчет поправки за приливы к каждому измерению в реальном масштабе времени. В этом случае нет необходимости прибегать к технологии измерений типа «двойная петля». Кроме этого данные гравиметры снабжены технологией автоматического выравнивания прибора, и коррекции за рельеф местности в реальном времени. Наличие эффективной системы термостатирования позволяет достигать высокой точности (порядка 1 мкГал) в широком диапазоне температур.
В РД 07-603-03 («Инструкции по производству маркшейдерских работ») обозначены также повторные наблюдения за вариациями геомагнитного поля. Однако, опыт работы на ряде геодинамических полигонов, организованных на месторождениях нефти и газа показал, что наличие значительного количества «перемещающихся» в пространстве и времени металлических объектов приводит к формированию «ложных» аномалий и делает этот метод мало пригодным для мониторинга месторождений.
К сожалению, в перечисленных нормативных документах Ростехнадзора ничего не сказано о геохимических и сейсмологических наблюдениях. В тоже время, регистрация аномальных изменений гелия однозначно указывает на наличие разломных зон, а сейсмологические наблюдения просто необходимы в тех случаях, когда объекты нефтегазового комплекса расположены в сейсмоактивных регионах (например, объекты проектов «Сахалин-1» И «Сахалин-2»).
Особым образом обстоит ситуация с проведение геодинамического мониторинга шельфовых месторождений. В этом случае, наряду с локальной сейсмической сетью (как наземной, так и донной), необходима установка береговых высокочувствительных наклономерно -деформографических систем для контроля деформационных процессов, индуцированных разработкой месторождения.
В настоящее время, в рамках проводимой реформы технического регулирования, вопросы учета геодинамического фактора при обеспечении промышленной безопасности и охраны недр вошли в число первоочередных при осуществлении надзорной деятельности и при подготовке проектов ряда специальных технических регламентов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузьмин, Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов / Ю.О. Кузьмин // Геологическое изучение и использование недр. - М., 1996. - Вып. 4. - С. 43-53.
2. Кузьмин, Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании / Ю.О. Кузьмин. - М.: Агентство Экономических Новостей, 1999. -220 с.
3. Кузьмин, Ю.О. Геодинамический риск объектов нефтегазового комплекса / Ю.О. Кузьмин // Российская Газовая Энциклопедия. - М.: Издательство Большая Российская Энциклопедия, 2004. - С. 121-124.
4. Маркшейдерия: учебник для вузов / М.Е. Певзнер и др. - М.: МГГУ, 2003. - 419
с.
© Ю.О. Кузьмин, 2008
