КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ НЕДР ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ.

Кондратенко Е.В. ( ОАО «Газпром Промгаз», д.т.н. Ермолаев А.И., к.т.н. Казаков В.М. (РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина)

Разработка месторождений углеводородов сопряжена с целым рядом неблагоприятных факторов, в том числе с повышенной геодинамической опасностью [2,3,6,8]. Понятие геодинамической опасности можно сформулировать как совокупность неблагоприятных природных факторов, связанных с исходным состоянием геологической среды и техногенных воздействий в результате инженерной деятельности при освоении недр и земной поверхности, а обеспечение геодинамической безопасности - предупреждение или исключение неблагоприятных сочетаний природных и техногенных факторов, вызывающих промышленные аварии и чрезвычайные ситуации (ЧС) в зонах риска [8].

При разработке месторождений углеводородов происходят различные природно-техногенные процессы – активизация разломов, значительные просадки земной поверхности, горизонтальные сдвиги массивов горных пород, миграционные процессы, каждый из которых может быть аномальным и может привести к негативным последствиям вплоть до возникновения ЧС (чрезвычайные ситуации) и чрезвычайной геологической ситуации (ЧГС) [2,3,6,8]. Как с точки зрения возможного возникновения ЧС, так и с точки зрения охраны недр крайне необходимо иметь инструмент прогнозирования возникновения ЧС и ЧГС с целью их предупреждения, недопущения, либо снижение масштабности процессов. Таким инструментом является комплексный мониторинг развития процессов изменения состояния геологической среды при разработке месторождений углеводородов.

Комплексный геодинамический мониторинг месторождений углеводородов (КГМув).

Рисунок 1.

Структура комплексного мониторинга природно-техногенных геодинамических и флюидо- динамических процессов в комплексе с геоэкологическими исследованиями может быть представлена состоящей из трёх взаимно-связанных блоков. В состав этих блоков входят базовые методы и виды наблюдений. В зависимости от результатов, которые будут получены в процессе долгосрочного систематического мониторинга, базовые методы могут быть дополнены другими методами

1. Деформационный блок состоит из совокупности методов наблюдений, обеспечивающих получение всей необходимой информации о текущем напряжённо-деформированном состоянии геологической среды различного пространственного масштаба.

1.2. Спутниковые геодезические наблюдения с применением системы GPS. Цель работ -долговременный контроль за происходящими деформационными процессами на площади, включающей территорию разрабатываемого месторождения и смежные с ней участки. Определяются компоненты горизонтальных смещений и деформаций. Результаты этих наблюдений наиболее информативны для определения прогностических признаков возможных сейсмических событий и для контроля за горизонтальными смещениями массивов горных пород, что является опасным, в первую очередь, для эксплуатационных скважин и промысловых коммуникаций.

1.3. Точное нивелирование. Цель работ - долговременный контроль за деформационными процессами природного и техногенного происхождения на территории месторождения с определением вертикальной компоненты движений земной поверхности. Повторные наблюдения позволят осуществить контроль за современной активностью разломов на территории месторождения. По результатам повторного нивелирования оценивается уровень современных аномальных напряжений в разломных зонах и локализуются участки аномального развития происходящих деформаций, что чрезвычайно важно для оценки влияния этих процессов на устойчивость скважин и наземных объектов обустройства. Кроме того повторное нивелирование направлено на осуществление контроля за возможными деформациями (просадками) земной поверхности на ранней стадии их возникновения в связи с отбором флюида из резервуара. Параметры современных вертикальных движений земной поверхности также используются для выработки прогностических признаков сейсмических событий, учитывая связь между последовательным возникновением сейсмических и деформационных событий в рамках энергетической модели разрабатываемых месторождений.

В данном блоке возможно применение систем дистанционного зондирования земли из космоса ( ДЗЗ), что будет способствовать повышению оперативности и точности контроля.

2. Геофизический блок включает комплекс методов, обеспечивающих получение необходимой информации о вариациях геофизических полей во времени, обусловленных природными и техногенными геодинамическими, флюидодинамическими, газохимическими процессами.

2.1. Высокоточные гравиметрические наблюдения. Цель работ - долговременные наблюдения за изменением напряжённо - деформированного состояния и флюидодинамики геологической среды на основе выявления и анализа пространственно-временных особенностей вариаций силы тяжести. Гравиметрические наблюдения позволяют контролировать изменение плотностной характеристики локальных неоднородностей среды, которые могут быть концентраторами напряжений. Площадное выделение этих неустойчивых неоднородностей связано с решением задачи прогнозирования зон повышенного геодинамического риска. С помощью повторных гравиметрических наблюдений возможно выделение активных звеньев разломов и исследование процессов вертикальной миграции, что даёт возможность оценки степени проницаемости геологического разреза, которая может возрасти за счёт активных деформационных процессов в период разработки месторождения. Повторные гравиметрические наблюдения можно также использовать как метод контроля за продвижением водо- нефтяного контакта. Существование связей между вариациями силы тяжести и деформационными процессами позволяет использовать первые в качестве прогностических признаков возникновения чрезвычайных геологических ситуаций (ЧГС).

3. Флюидогеохимический блок включает совокупность методов и наблюдений, обеспечивающих получение информации о вариациях химического состава флюидов и динамическом состоянии флюидных систем тектогенного и техногенного происхождения. В совокупность обязательных методов входят:

3.1. Эманационная съёмка. Цель работ – определение количественного изменения уровня эманации во времени по главному определителю – радону.

Основана на    пространственной и временной взаимосвязи между эманированием грунтов и подвижностью горного массива. Эта взаимосвязь позволяет использовать эманационные исследования для изучения текущих геодинамических  процессов как на площади (геодинамическое картирование), так и во времени (геодинамический мониторинг). 

Этот вид контроля является наиболее представительным видом определения активности разломов. Эманационная съемка при выполнении структурно-геодинамического картирования основана на измерении содержания в почве радиоактивных газов радона, торона, образовавшихся в результате воздействия напряжений в покровных отложениях.

3.2. Гелиеметрические исследования. Цель работ – определение изменения количества гелия во времени. Амплитуда колебаний концентраций гелия во времени является индикатором устойчивости геологической среды, и/или косвенно отражает техногенные сейсмические процессы, что позволяет выполнить качественную прогнозную оценку устойчивости территории к сейсмическим событиям.

В платформенных осадочных бассейнах вариации полей гелия определяются гидродинамическими и тектоническими особенностями осадочного чехла, в т.ч. присутствием и физико-химическим состоянием в нем экранирующих горизонтов [7]. В областях современной сейсмической активности гелиевые аномалии отражают совокупный эффект различных физико-химических процессов в породах, испытывающих упругие деформации. Концентрации гелия в приповерхностной части подземной гидросферы вызваны как восходящей разгрузкой гелиеносных газожидкостных флюидов, интенсивность которых зависит от напряженно-деформированного состояния среды, так и развитием разломов в геологической среде, активизирующихся под влиянием внешнего воздействия [9]. Кроме того, химическая инертность гелия, высокая миграционная способность и «индикационные» (трассировочные) свойства гелия приводят к однозначности интерпретации результатов замеров [1].

3.3. Геохимическая съёмка. Цель работы - определение возникновения геохимических аномалий в реальном времени с привязкой к поверхности земли для определения ареала местонахождения разгерметизировавшихся объектов (скважин, трубопроводов, искусственных подземных сооружений…).

Геохимические методы исследований базируются на определении содержания углеводородных газов в составе почвенного воздуха или в пробах горных пород. Итогом геохимических исследований является составление карт и графиков содержаний элементов, служащих индикаторами полезных ископаемых, с помощью которых с учётом геологических и прочих характеристик осуществляется интерпретация выявленных геохимических аномалий. По результатам геохимических поисков строятся карты. Сопоставление этих карт во времени, при проведении мониторинга, даёт возможность определить время возникновения аномалий и установить опасные зоны. Самостоятельным методом определения негерметичности подземных сооружений геохимическая съёмка служить не может, однако в составе комплекса исследований вполне может повысить информативность и достоверность прогнозирования ЧС.

Существует несколько дополняющих друг друга методов:

3.3.1. Гидрогеохимический метод поисков.

Гидрогеохимический метод основан на изучения распределения химических элементов в подземных н поверхностных водах, омывающих месторождения и их ареалы рассеяния.

Положительным моментом является то, что гидрогеохимическую пробу не надо переводить в раствор. Это значительно облегчает процесс пробоподготовки при использовании современных методов анализа (масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой атомная абсорбция).

3.3.2. Атмогеохимический метод поисков

Атмогеохимический метод основан на измерении концентрации газов в почвенном воздухе. Установлено, что над месторождениями любого генезиса существуют газовые ореолы, которые в нашем случае можно разделить на 2 группы:

1) газы из зон тектонических нарушении:

2) газы, возникающие при гипергенных процессах.

По составу это обычно смесь углеводородов (в первую очередь, метан), углекислый газ, пары металлов (в первую очередь, ртути.

Нефтяные н газовые месторождения содержат ртуть в количествах, превышающих фон в 10—1000 раз.

3.3.3. Многоцелевое геохимическое картирование

В последние годы в Институте минералогии и геохимии редких элементов (ИМГРЭ) разработана оригинальная технология многоцелевого геохимического картирования (МГХК) - мелкомасштабные (1:1000000) исследования, предназначенные для комплексной геохимической оценки территорий [5].

Основано на том, что практически любые как природные, так и техногенные процессы вызывают химические преобразования горных пород, почв, поверхностных и подземных вод, атмосферы, биоты, т.е. изменение характеристик их геохимических полей: состава и концентрации химических элементов, характера взаимосвязи между ними и т. д., что приводит к возникновению динамического интегрального геохимического поля, связывающего в единую систему все оболочки Земли так или иначе затронутые процессами жизнедеятельности человека.

Основные особенности технологии многоцелевого геохимического картирования:

1) Замена случайного опробования по регулярной сети на детерминированное опробование квазиоднородных участков, выделенных на основе многофакторного районирования .

2) Системное изучение сопряжённых компонентов природно-геологической среды.

3) Применение современных аналитических инструментальных многокомпонентных методов.

4) Создание банков данных и компьютерная обработка информации по комплексу программ «ГЕОСКАН».

5) Создание комплектов цифровых карт многоцелевого назначения.

3.4. Контроль за уровнем и химическим составов приповерхностных и пластовых вод. Цель работы - определение возникновения гидрогеологических аномалий в реальном времени для определения ареала местонахождения разгерметизировавшихся объектов (скважин, трубопроводов, искусственных подземных сооружений…).

При эксплуатации углеводородных месторождений изменению подвергается не только гидрогеологическая обстановка в продуктивных пластах, но и энергетические, гидрогеохимические и газобиохимические условия вышележащих газонефтеводоносных комплексов, вплоть до горизонта пресных подземных вод. С ростом объёмов добычи газа и нефти, связанными с этим процессами геодинамическими изменениями (возникновением новых, раскрытием/закрытием существовавших трещин и разломов и так далее), возникновением заколонных утечек в скважинах и надпродуктивных искуственных резервуарах нефтяной и газовый промысел превращается в источник загрязнения окружающей среды токсичными, химически стойкими, высокоподвижными компонентами глубинных флюидов. Наибольшее негативное воздействие испытывает гидросфера и, в частности, пресные подземные воды – основной объект охраны и контроля.

Контроль пресных подземных, в частности, вод предусмотрен Государственным мониторингом подземных вод (ГМПВ) и представляет собой систему регулярных наблюдений, оценки и прогнозирования состояния подземных вод под воздействием природных и антропогенных факторов.

Данные, полученные при выполнении требований ГМПВ могут быть применены в комплексе контроля состояния герметичности стволов скважин и подземных сооружений, покрышек в зоне ликвидированных скважин после окончания активной фазы работ на месторождениях.

Контроль состояния гидросферы в районе углеводородных месторождений предложенным методом позволяет фиксировать начальные фазы углеводородного загрязнения вод и рекомендовать проведение профилактических или ликвидационных мероприятий по конкретным объектам. Максимально возможное приближение наблюдательных водопунктов к кустам нефтяных и газовых скважин обеспечит регистрацию первых порций компонентов-индикаторов углеводородного загрязнения пресных вод и позволит своевременно определить формирующийся источник загрязнения.

Заключение.

Предлагаемая технология комплексного геодинамического мониторинга (КГМув), схематично представленная на рис.1, реализуемая в комплексе с экологическим мониторингом позволяет на фоне проявления региональных (фоновых) процессов надёжно выявлять и исследовать локальные аномальные ЧГС с привязкой к конкретным объектам и системам обустройства углеводорододобывающего комплекса. Только в этом случае можно достичь оперативного контроля возможного воздействия ЧГС на системы и объекты обустройства. Кроме того, КГМув является необходимой информационной основой предмета охраны недр.

Для реализации комплексного мониторинга на всех крупных месторождениях необходимо создать стационарные пункты контроля, включающие в себя реперы для геодезической космической съёмки, гравиметрические станции и геохимические пункты отбора проб. Кроме того в систему КГМув включаются существующие гидрогеологические скважины и скважины, дополнительно пробуренные с учётом геологической специфики конкретного месторождения. Так же обустраиваются дополнительные пункты отбора проб для геохимического контроля.

В целом геодинамический мониторинг, в комплексе с наблюдениями за состоянием экосистем региона, может рассматриваться как эффективная система регулярных наблюдений, в рамках вышеуказанных подсистем, за геодинамическим состоянием геологической среды и состоянием систем и объектов углеводорододобывающего комплекса для прогнозирования их изменений и повреждений, зависящих от природных и техногенных причин.

Внедрение комплексного мониторинга развития процессов изменения состояния геологической среды при разработке месторождений углеводородов позволит с высокой степенью точности контролировать состояние геологической среды, прогнозировать возникновение ГЧС и разработать меры по предотвращению их негативного влияния на процессы разработки месторождений УВ, охрану недр и возникновение ЧС.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Графский Б.В., Егоров H.H., Снежкина Е.Е. // Эффективность гелиеметрии при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач. Сов. Геология, М. - 1980.- №11. -С. 115-121.

2. Казаков В.М. Некоторые аспекты теории охраны недр при разработке месторождений нефти и газа. // Газовая промышленность, М. – 2012. -№ 1. - С. 16-19.

3. Кондратенко Е.В., Казаков В.М., Ермолаев А.И. О ликвидации и консервации скважин // «Нефть, газ, бизнес», М.- 2011.- №5. - С. 17-21.

4. Костюк О.П., Руденская И.М. Долинские землетрясения в 1974 году. Сейсмологический бюллетень Западной территориальной зоны единой системы сейсмологических наблюдений СССР. Крым - Карпаты, 1970¬1974 - Киев, 1980. -192с.

5. Криночкин Л.А. Прогнозная оценка территории России по региональным аномальным геохимическим полям: дис. док. геолого-минералогических наук –М., 2011. - С.262.

6. Мартынов В.Г., Кондратенко Е.В., Казаков В.М. К вопросу об охране геологической среды// Нефть, газ и бизнес, М. - 2011. -№10. - С. 10-13.

7. Попов В.Г., Егоров H.H. Гелиевые исследования в гидрогеологии. - М.: Наука, 1990.- С. 160.

8. Ширягин О.А. Геоэкологические основы геодинамического мониторинга Астраханского газоконденсатного месторождения: дис. канд. геолого-минералогических наук -Астрахань, 2002.- 142 с.

9. Яницкий И.Н., Коробейник В.М., Созинова Т.В. Отражение разломов земной коры в полях гелия// Геотектоника, М. - 1975. - № 6. - С. 80-90.