Некоторые аспекты теории охраны недр при
разработке месторождений углеводородов.
Кондратенко Е.В. ООО «Газпром Промгаз» , д.т.н.
Ермолаев А.И, к.т.н. Казаков
В.М., РГУ им. И.М. Губкина ,
Начиная с середины XX века и по настоящее время значительно возросло как прямое, так и
косвенное воздействие человека на природу, что качественно изменило состояние
окружающей среды. Поэтому особое значение приобретает глубокий и всесторонний
анализ проблемы взаимодействия общества и природы с целью разработки основ рационального использования природных ресурсов.
Природные
ресурсы – источник существования человечества, эксплуатация которых в процессе
хозяйственной деятельности непосредственно влияет на окружающую среду. Поскольку
антропогенное воздействие на природу ведёт к негативным последствиям, возникает
необходимость в управлении природопользованием и регулировании взаимодействия
техногенных последствий деятельности с природными
процессами.
C бурным ростом производственной деятельности социума природная организация процессов
в геологической среде (рис. 1) впервые подверглась мощной и прямой
агрессии. Естественно, что геологическая система ( среда + процессы)
соответственно реагирует на воздействие социума. Причём реагирует сразу
же, со скоростью не известной в её истории. Спуск водохранилищ, выработка
газонефтяных месторождений, подземные ядерные взрывы вызывают землетрясения. А
они, оживляя разломы земной коры, развязывают процессы тектогенеза глобального масштаба (рис. 2).
Другая сторона дела... Индустриальная деятельность человека изменяет
химизм
литосферы. Один из способов этого - извлечение химических компонентов из земных
недр (в том числе нефти и газа) и
перенесение их в сферу человека. Другой
- внесение в геологический круговорот несвойственных ему ранее компонентов. Это
бетон, черные металлы, растворы тяжёлых металлов и радиоактивных веществ и т.д.
Рис. 1 Организация естественных геологических
процессов.
Таким образом, социальная система прямо и опосредованно вводит в
геологическую систему множественные
изменения. Те изменения, на которые геологический цикл вынужден
реагировать селективным образом с oпределённым
эффектом для самого себя, что мы и имеем
на сегодняшний день в связи с добычей природных ресурсов[1].
Нефтяная и газовая промышленность непосредственно связана с добычей природных
ресурсов и постоянно увеличивает объёмы добычи. На сегодняшний день мировой
объём добычи составляет около 3 млрд. тонн нефти в год, не считая газа и
газового конденсата. Всего, за активный
период добычи, на сегодняшний день добыто около 150 млрд. тонн нефти.[1]
Рис. 2 Взаимодействие техногенных и естественных
геологических процессов.
Разработка любых месторождений
непосредственно ведёт к перераспределению вещества и энергии в продуктивных
пластах за счёт извлечения продукции,
различных закачек в пласт, за счёт естественного заполнения
освободившегося пространства пластовой водой, за счёт выпадения конденсата и так далее. Всё это не может не изменять структуру
пластов как механическую, так и химическую.
Изменения внутрипластового давления, химического состава замещающей
среды, её плотности, температуры и так далее,
безусловно, оказывает влияние на энергетический баланс всей окружающей
геологической среды в целом.
Меняющиеся напряжения в разрабатываемых пластах, при определённых
условиях, могут способствовать изменению геометрии и физических свойств, не
только продуктивных пластов, но и всех
пластов геологического разреза что в свою очередь может привести (и приводит) к
разрушению цементного камня, колонн скважин и, соответственно, к появлению заколонных
перетоков со всеми вытекающими последствиями, а так же потере
ствола скважин. Причём эти
явления могут проходить как с малой скоростью, так и мгновенно. При критическом напряжённом состоянии
геологической среды техногенное вмешательство может явиться «спусковым крючком»
для естественных геодинамических
процессов. В этом случае неизбежны
катастрофы типа Нефтегорской и Газлийской.
Немаловажно, что при этом
процессе так же происходит изменение коллекторских свойств продуктивных
пластов, что не может не влиять на процесс разработки месторождения и, в
конечном итоге, на полноту извлечения
ресурсов.
В то же время, в том геологическом пространстве, где ведётся разработка
нефтегазовых месторождений происходят и свои, природные геодинамические и геомеханические процессы.
Эти процессы представлены изменением
напряжённо-деформированного состояния
геологической среды в связи с тектонической деятельностью, в связи с солнечной
активностью, вращением земли, приливными явлениями, деформацией и перемещением
геологических тел, активизацией сейсмических разломов и современных движений
земной коры.
Известно, что
геологические (геодинамические) процессы
возникают при наличии определённых несоответствий (противоречий), например:
минерального состава горных пород – геохимическим условиям окружающей их среды;
напряжённого состояния горных пород – их предельному равновесию; плотности и
пористости горных пород – величине действующих нагрузок; степени литификации
горных пород – величине действующих гравитационных и геохимических сил;
размягчаемости и размываемости горных пород – скоростями водного потока и др.[2]
Эти несоответствия (противоречия) и предполагают естественную неизбежность
возникновения геологических процессов и явлений, они служат движущей силой их
развития. Все эти несоответствия
присущи и той геологической среде, где ведётся разработка нефтегазовых
месторождений, а , значит,
возникновение геодинамических
процессов предопределено.
Взаимодействие техногенных факторов, связанных с добычей нефти и газа и
природных геологических (геомеханических
и геодинамических)
процессов приводят к определённым последствиям как для геологической среды в целом:
проседаниям земной поверхности, землетрясениям, загрязнениям пластовых вод,
грифонообразованию, загрязнению атмосферы и, как следствие, к социально-экономическому и экологическому
ущербу, так и для эксплуатирующегося месторождения: потерям и недоизвлечению
запасов нефти и газа, к повреждению
скважин, трубопроводов и нефтепромыслового оборудования[3].
Не меньшую, если не большую,
опасность такие явления
представляют собой в случае проведения
работ на шельфе или в море. В этом
случае к просадке морского дна может добавиться горизонтальное сдвижение
придонных слоёв и грунтов, придонное трещино-
и разломообразование, деконсолидация гидратов, оползни придонных пород,
а в некоторых случаях и генерация волн
( цунами).
Практически установлены факты проседания земной поверхности ( а
для морских нефте-газоразработок – морского дна) в следствии добычи нефти и
газа. Оседание иногда составляет до 8 метров. Более того, такие оседания
сопровождаются образованием мульды сдвижения с горизонтальным перемещением и
оползнями пород к центральной её части, образованием субвертикальных трещин,
уступов и террас. Такие вертикальные и
горизонтальные деформации и смещения пород не могут не приводить к потере
устойчивости,
нарушению прочности и разрушению
основных конструкций и объектов нефте-газодобычи, транспортировки нефти и газа - то есть к серьёзным
авариям [4]. От рельефа морского дна
зависит направление придонных
течений, движение льдов, что в конечном
итоге способно повлиять и на региональные изменения климата. Так же возможно
изменение путей миграции рыб, что может повлиять на рыбный промысел.
Весьма серьёзным, а в некоторых случаях и определяющим фактором
техногенного деформирования геологической среды является наведённая
сейсмичность. Фактически зафиксирована
связь процессов разработки месторождений с землетрясениями магнитудой от 3 до 7
баллов. Наиболее катастрофическими являются Газлийское и Нефтегорское
землетрясения [5].
Более слабые землетрясения
происходят чаще, например, на нефтепромыслах Татарстана. Такие землетрясения могут вызвать (и вызывают) повреждение скважин и трубопроводов. Во многих случаях появление межколонных
давлений на эксплуатирующихся
месторождениях связано не столько со старением цементного кольца, сколько с
низкоамплитудными подвижками пластов в разрезе скважин.
Влияние природных и
техногенных воздействий, а так же
негативные последствия этого влияния на
разрабатываемые месторождения нефти и газа схематично показано на рис.3.
Рис. 3
Таким образом, очевидно, что предмет охраны недр требует вдумчивого и
внимательного отношения. Очевидно, что игнорирование происходящих
процессов может нанести огромные материальные потери, привести к человеческим
жертвам.
Ныне существующая система охраны недр базируется на устаревших представлениях о процессах, происходящих в
геологической среде, не учитывает природные геодинамические и геомеханические
процессы, а так же их взаимодействие с техногенными последствиями разработки
месторождений нефти и газа. Достаточно посмотреть нормативные материалы
по вопросу охраны недр, что бы увидеть, что все мероприятия связаны только
небольшим пространством вокруг скважины и касаются в основном прочности
цементного кольца[6].
Необходимо отметить, что проблема охраны недр является
мультинаучной и включает в себя многие научные и технические дисциплины, как
это схематично показано на рис.4. Геодинамика,
гидрогеология, геохимия, геофизика,
литология являются базовыми науками
для понимания происходящих в геологической среде процессов.
Промысловая и инженерная
геология дают понимание реально происходящих процессов , определяют подход к проблеме и к выработке практических решений.
На основании этого понимания, с учётом оценки возможных
рисков, принимаются решения по
управлению процессами разработки месторождений, строительству скважин и иным
действиям в недрах.
Принятие правильных управленческих решений, на основании комплексной
оценки возможных последствий
техногенного влияния на
геологическую среду позволит сократить
количество аварий и потерь продукции, сократить загрязнения окружающей среды и
предотвратить повреждение и разрушение зданий и сооружений как
производственной, так и социальной сферы.
Рис. 4
На сегодняшний день существует достаточное
количество опытного и аналитического материала, позволяющее разработать методику проведения оценки состояния геологической среды, подвергающейся влиянию техногенных
процессов, разработать научно-методические основы информационного обеспечения решения задач геодинамической безопасности
освоения нефтегазовых месторождений, оценки рисков геоэкологической опасности,
а так же разработать рекомендации по снижению негативных последствий
техногенного вмешательства в естественные геологические процессы.
На основании полученных
результатов необходимо скорректировать
законодательство и нормативно-техническую документацию по охране недр,
сделав их конкретными и
действенными.
Необходимо и вполне возможно разработать систему геодинамического
мониторинга разработки месторождений и систему прогнозирования и обнаружения на
ранних стадиях признаков возникновения опасных процессов в геологической среде
для принятия предупредительных мер.
Мероприятия по
результатам комплекса проведённых
научно-исследовательских работ по этой тематике должны в обязательном порядке
включаться в состав проекта разработки любого месторождения на суше, шельфе и в море.
Литература:
1.
Щербаков
А.С. «Философские вопросы геологии», МГУ,1999г. - 45 стр.
2.
Абалаков Александр
Дмитриевич « Экологическая геология», Издательство Иркутского государственного
университета ISBN 978-5-9624-0229-1, УДК
55; 504; 574 ББК 20.1 + 26.3 Т 76,
2007г. – 229 стр.
3.
Кондратенко
Е.В., Казаков В.М., Ермолаев А.И. «О ликвидации
и консервации скважин». Нефть, газ,
бизнес №5, 2011г. Стр. 17-21., УДК 622.245.8
4.
Мельников Н.Н.,
Калашник А.И.. «Концепция геодинамической безопасности при освоении
шельфа Баренцева моря». Труды 10-й Международной конференции и выставки по освоению
ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран С Н Г
(RAO/CIS Offshore 2011) 13-16 cентября 2011года, Санкт-Петербург –
СПБ.: ХИМИЗДАТ, 2011. -590с.
5.
Ясаманов
Н.А. «Основы геоэкологии».— М.: Издательский центр «Академия», ISBN
5-7695-1043-9, 2003. — 352
с.
6. Мартынов В.Г., Кондратенко Е.В.,
Казаков В.М. «К вопросу об охране окружающей среды» - Нефть, газ и бизнес. №10,
2011г. стр.10-13.