Обеспечение геодинамической безопасности освоения шельфовых нефтегазовых месторождений |
Исследования для обеспечения рационального освоения месторождений полезных ископаемыхМельников Н.Н., академик РАН, директор института Перспективы развития российского сектора Баренцрегиона, прежде всего, связаны с освоением нефтегазовых месторождений Баренцева и Печорского морей. Но наряду с известными сложными природными арктическими условиями, здесь возможны геодинамические проблемы как при обустройстве месторождений, так и при добыче и транспортировании нефтеуглеводородов. Кольский регион является геодинамически активным: при отработке Хибинских и Ловозерских месторождений произошли индуцированные землетрясения, приведшие к катастрофическим разрушениям как подземных горных выработок, так и наземных сооружений и коммуникаций /1/. При этом область разрушающего воздействия в десятки раз превышала район ведения горных работ.Необходимость учета последствий опасных геодинамических процессов обусловлена: - значительными сроками осуществления проектов (50 лет и более); - крупномасштабным и огромным по массоперемещению воздействием на естественное равновесное состояние недр, приводящее к его нарушению и активизации опасных геологических процессов; - развитием деформационных процессов пород продуктивных пластов и вмещающего массива в процессе откачки нефти/газа; -возникновением рисков формирования условий и реализации катастрофических проседаний, оползней, сдвижений (подвижек) пород, землетрясений; - пересечением линейными протяженными объектами (нефте-газопроводов) значительного числа тектонических разломов, аномалий рельефа, водных объектов и т.п. Обустройство и вовлечение в эксплуатацию нефтегазовых месторождений Баренцева и Печорского морей без учета геомеханических процессов может привести к формированию условий возникновения и реализации разрушающих геодинамических явлений /2, 11/: оседаний, оползней, землетрясений и, как следствие, к социально-экономическому и экологическому ущербу, потерям и недоиспользованию запасов нефтеуглеводородов. Подтверждением этому является накопленный к настоящему времени мировой опыт как сухопутных, так и морских (шельфовых) нефтегазовых разработок. По данным Oil &Gas Journal /3/, количество аварийных ситуаций на платформах, сооружениях для добычи и хранения нефтеуглеводородов, скважинах, трубопроводах и др., составляет около 3000 случаев, а экономический ущерб превысил 34000 млн. $. На рисунке 1 приведены убытки, укрупнено обобщенные по регионам, при этом объемы убытков вследствие аварий на платформах для некоторых регионов могут составлять 30-50%. Анализ влияния различных факторов на возникновение аварийных ситуаций на морских нефтегазоразработках в Европе показывает, что наибольшее число аварий произошло за счет потери устойчивости, повреждений и разрушений конструкций (36%), тяжелых погодных условий (7%), удара (5%) и др. факторов. При этом отмечается, что фактически по каждой пятой и более аварийной ситуации причина неизвестна (22%). Рис.1. Объемы убытков млн. $ вследствие аварийных ситуаций:а) общие объемы убытков по регионам; б) объемы убытков по платформамВместе с тем общеизвестным является факт оседания дневной поверхности (а для морских нефтегазоразработок - морского дна) вследствие добычи нефти и газа. Авторами собраны, систематизированы и проанализированы опубликованные данные по инструментально зафиксированным оседаниям более чем на 130 разрабатываемых нефтегазовых месторождениях. Выявлено, что оседание может быть от десятков сантиметров до нескольких метров. На 15 месторождениях в различных регионах инструментально зафиксированы вертикальные оседания от 1,5 до 8,7 м. Такие значительные вертикальные проседания, как отмечают многие исследователи, сопровождаются образованием мульды сдвижения с горизонтальными перемещениями и оползнями пород к ее центральной части, образованием субвертикальных трещин, уступов и террас, в отдельных случаях достигающих 2-2,5 м /4, 5, 6/. Столь большие вертикальные и горизонтальные деформации и смещения пород не могут не приводить к потерям устойчивости, нарушениям прочности и разрушениям основных конструкций и объектов нефтегазодобычи и транспортирования нефтеуглеводородов, и в итоге приводить к аварийной ситуации. Наиболее ярким примером является месторождение Экофиск, разрабатываемое в Северном море, на котором за более чем 30 лет добычи произошло проседание морского дна над центральной частью месторождения на глубину более 7 м, приведшее к значительным техническим и экономическим последствиям. Вследствие этого проседания морского дна, основания ряда платформ и внешняя стенка нефтехранилища оказались недопустимо низкими по отношению к уровню моря, и потребовалось провести работы по наращиванию и подъему оснований платформ и возведению дополнительной, более высокой, внешней стены нефтехранилища. Значительное проседание дна моря также привело к деформации и повреждениям уложенных на дне моря трубопроводов и конструкций. За несколько лет было выполнено более 70 повторных ремонтных работ на эксплуатационных скважинах, направленных на ликвидацию разрывов в зонах цементирования, сплющивания или разрушения обсадных труб. По разным оценкам, затраты на выполнение этих работ превысили 400 млн. $ /11, 12/. Другим характерным примером является разработка нефтяного месторождения Уилмингтон (США) в течение более 40 лет, которая привела к оседанию земной поверхности над месторождением до 8,7 м. Это создало угрозу затопления военно-морской базы Лонг-Бич, которая была построена без учета возможности просадок. Ориентировочная стоимость работ и защитных мероприятий по предотвращению затопления составила в ценах 70-80-х гг. прошлого столетия более 6 млн. $ /5/. Следует полагать, что проседания толщ пород и дневной поверхности (морского дна) над отрабатываемым коллектором оказывают существенное негативное влияние на устойчивость и прочность основных конструкций, объектов и систем добычи, хранения и транспортирования нефти и газа. Другим важным, а порой и определяющим, геодинамическим фактором на объектах нефтегазоразработок является наведенная сейсмичность. Макропроявления сейсмичности в виде техногенных и индуцированных землетрясений относительно редки, но их разрушающее влияние, а также вызываемый социально-экономический и экологический ущерб, очень велики. Авторами также собрана и проанализирована информация по фактам произошедших техногенных землетрясений на эксплуатируемых нефтегазовых месторождениях, а также по землетрясениям, индуцированных добычей нефти и газа. Выявлено, что землетрясения с магнитудой от 3 до 7 и выше баллов происходят как на газовых, так и на нефтяных месторождениях, и могут приводить к катастрофическим разрушениям (Нефтегорское (Россия), Газлийское (Узбекистан), Лак (Франция) и др.) /4/. Конечно, на формирование этих опасных геодинамических явлений (рис. 2) (проседания и смещения пород, землетрясения, а также вызванные ими оползни, пустоты, газовые каналы и выбросы, грязевые вулканы, генерация волн) влияет большое количество факторов и условий, но в основе этих явлений лежат геомеханические процессы. Именно недооценка влияния геомеханических процессов приводит к формированию условий возникновения необратимых геодинамических явлений, разрушающих скважины, трубопроводы и добывающие устройства и сооружения /2,4-6/. Нефтегазодобывающее предприятие с вмещающим его участком геологической среды образует сложную открытую природно-техническую систему (ПТС), эволюция которой осуществляется по известному алгоритму /7/ - чередованием стадий линейного и нелинейного развития, с возможностью скачкообразного перехода или бифуркаций. При этом необходимо подчеркнуть, что речь в данной работе идет о геомеханической эволюции геологической среды ПТС, где в результате энергетического взаимодействия различных объектов имеет место пространственно-временная локализация событий, среди которых могут быть и опасные геодинамические явления типа одномоментных катастрофических проседаний, крупномасштабных оползней и техногенных землетрясений. Концептуальная модель геомеханической эволюции нефтегазовой природно-технической системы (НГ ПТС) показана на рисунке 3. При этом основным управляющим параметром, в соответствии с подходами Летникова Ф.А. /8/, принята энергия W. На начальном этапе (t1-t2) эволюция НГ ПТС идет в устойчивом линейном детерминированном режиме. Параметры этого режима обеспечивают адаптацию НГ ПТС к конкретным условиям геологической среды и могут прогнозироваться на основе геомеханической модели массива горных пород с учетом технологических и экономических императивов. Адаптация – в определенной мере процесс прогнозируемый, поскольку параметры этого режима меняются в заранее заданных пределах, силовые и граничные условия, как правило, известны и могут адекватно задаваться для модельных исследований. а – естественное состояние б – вовлечение в эксплуатацию
в – оседание дна моря г – оползни и генерация волн (цунами)
д – землетрясение е – грязевые вулканы и газовые каналы
Рис. 2. Модельное отображение геодинамических процессов при отработке морских нефтегазовых месторождений
Аналитические и численные методы геомеханики на основе информации о начальных свойствах, структуре и напряженно-деформированном состоянии массива и продуктивных пластов/коллекторов позволяют прогнозировать параметры адаптации НГ ПТС на начальных стадиях освоения нефтегазового месторождения. Но надежность этого прогноза определяется достоверностью исходной информации и адекватностью расчетных моделей физической природе процессов, протекающих в геомеханическом пространстве НГ ПТС /5, 9/. Рис. 3. Концептуальная модель геомеханической эволюции НГ ПТСКогда управляющий параметр W достигает определенных значений WН (точка КНi на рис. 3), НГ ПТС переходит в стадию нелинейного развития (интервал t2-t3) – стадию неустойчивости, которая завершается бифуркацией, т.е. ветвлением путей эволюции при переходе через пороговое состояние (точка КБi – WБ). Термин «бифуркация» иногда заменяют термином «катастрофа», что в нефтегазовом деле более соответствует характеру рассматриваемых процессов, поскольку одной из ветвей дальнейшего развития такой системы может быть одномоментное проседание, крупномасштабный оползень или техногенное землетрясение. В период t3-t4 идет скачкообразное развитие системы с активной диссипацией энергии и образованием новых структур (нисходящая ветвь КБi –КЛi), или аккумуляция энергии (восходящая ветвь КБi –КЛi). Затем, при условии притока новой порции энергии, цикл повторяется (интервал t4-t6) и т.д. Рис.4. Геомеханическая модель разрабатываемого нефтегазового месторожденияУсловные обозначения: 1 - толща воды; 2 - массив горных пород; 3 - пласт неустойчивых пород; 4 - глинистый пропласток;5 - продуктивные пласты; 6 - тектонические разломы;7 - обсадные колонны (скважины); 8 - оседание дна; 9 - изгиб обсадной колонны (поперечный/продольный);
10 - изолинии напряжений; Рn -пластовое давление,Рv = gH-породное давление; Рh = T+lgH -горизонтальное давление с учетом тектонической составляющей
На основе разработанной геомеханической модели создана расчетная схема, учитывающая пространственно-геометрические и силовые условия флюидонасыщенного тектонически блочного массива горных пород для моделирования их напряженно-деформированного состояния в режиме упруго-пластического деформирования (рис. 5). Рис. 5. Расчетная модель для слоистого массива (1-7 – номер слоя (см. таблицу 1))Рассматривается слоистая среда (с горизонтальными слоями) под действием гравитационных сил и дополнительной вертикальной равномерно распределенной силы, имитирующей вес 300-метровой толщи воды. На оси симметрии (левая граница модели), на удалении 20 км от оси симметрии (правая граница модели) и на глубине 8 км от морского дна осуществляется шарнирное закрепление, т.е. нормальные перемещения и касательные напряжения этой части границы модели заданы равными нулю. На границе некоторой части продуктивного пласта L/H задавались величины равномерно распределенного нормального давления P, обусловленного весом вышележащей толщи пород и создающего поровое давление газа. Величина Р, определяемая как сумма произведений удельного веса и мощности соответствующих слоев (g i Чhi), включает в себя и величину порового давления p0. В нашем случае с учетом веса воды и свойств пород, слагающих слои, приведенных в таблице 1, величина Р = -52 МПа. Для данного месторождения, по данным геологоразведочного бурения и геофизическим определениям р0 = -23 МПа. Физико-механические свойства пород перекрывающих слоев и продуктивного пласта приведены в таблице 1. Анализ результатов моделирования показал, что для всех рассмотренных вариантов характер деформирования кровли и почвы продуктивного пласта и результирующего проседания поверхности (морского дна) идентичен. На рисунке 6 приведены расчетные зависимости проседания кровли (а также горизонтальные перемещения пород) продуктивного пласта от этапов (стадий) добычи флюида и соответствующего снижения пластового давления флюида. Происходящее при этом уплотнение продуктивного пласта (коллектора) линейно зависит от степени снижения внутрипластового давления (рис.7) и нелинейно - от увеличения зоны откачки флюида. Рис. 6. Графики вертикальных и горизонтальных перемещений кровли1 - Dp/p0=0,1; 2 - Dp/p0=0,2; 3 - Dp/p0=0,25; 4 - Dp/p0=0,5Рис. 7. Графики зависимости степени уплотнения продуктивного пласта от снижения порового давления (линии, помеченные цифрами 1, 2, 3, 4 соответствуют вариантам при L/H =1; 2; 3; 4)Объемное уплотнение продуктивного пласта может достигать 30%, вследствие чего формируется линейно-регрессивный прогиб (проседание) морского дна и значительные субгоризонтальные деформации и перемещения придонных слоев грунтов и пород (рис.8). Рис. 8. Графики перемещений поверхности:
1 - Dp/p0=0,1; 2 - Dp/p0=0,2; 3 - Dp/p0=0,25; 4 - Dp/p0=0,5На основании вышеизложенного можно выделить следующие результаты моделирования:· установлены модельные закономерности деформирования флюидосодержащего массива вследствие откачки газа, заключающиеся в объемном уплотнении продуктивного пласта до 30%, приводящем к линейно-регрессивному прогибу (проседанию) морского дна и значительным субгоризонтальным деформациям и перемещениям придонных слоев грунтов и пород;
· величины максимального оседания поверхности морского дна, кровли продуктивного пласта, поднятие почвы и относительная «усадка» его линейным образом зависят от величины снижения порового давления (можно сказать от степени откачки газа) и существенно нелинейным образом от отношения L/H (той части продуктивного пласта, в которой произведена откачка);· для условий ориентировочно десятилетней отработки Штокмановского газоконденсатного месторождения максимальная величина проседания морского дна может составить 3-5 метров, а степень уплотнения продуктивных пластов может достичь 30 %.
На основе результатов моделирования выполнен прогноз развития деформационных процессов и формирования геодинамического режима, определяющих условия реализации таких геодинамических явлений, как проседание, проскальзывание по плоскостям тектонических нарушений, макросейсмичность, оползни придонных грунтов и пород. На основе анализа тектонофизических, тектонических и сейсмологических данных по сухопутной части трассы магистрального газопровода со Штокмановского газоконденсатного месторождения по территории Кольского полуострова выделены потенциально опасные участки (рис. 9) и сформированы подходы к организации геодинамического мониторинга его сооружения и эксплуатации (рис. 10). Рис.9. Профиль сухопутной части газопровода по Мурманской области (овалами указаны потенциально опасные участки)
Рис.10. Структура геодинамического мониторинга нефтегазовой природно-технической системы
Мурманский регион рассматривается и фактически уже сейчас становится крупным транспортным центром, концентрирующим основные транспортные системы нефти и газа как от мест добычи до центральных районов и распределительных систем России, так и для трансграничной транспортировки нефтеуглеводородов как по трубопроводам, так и морским путем. В ближайшей перспективе это могут быть газопроводы со Штокмановского месторождения (подводная часть – от месторождения до побережья п.Териберка, сухопутная часть – от п.Териберка до г.Волхов), с последующим подключением к газопроводу «Северный поток» (Nord Stream) /14/, а также нефтепроводы с месторождений Западной Сибири в порт г.Мурманска /15 /. Мурманский регион характеризуется сложными арктическими условиями, и к тому же здесь инструментально зафиксированы активные современные движения земной коры, а также ряд природных и техногенных (обусловленных и вызванных крупномасштабными горными работами) землетрясений магнитудой до 5-7 баллов /16/. Профиль планируемых трасс является весьма изменчивым, с перепадом высот от 0 до 400м (рис.9), с пересечением более 70 крупных водных объектов и ряда активных тектонических разломов и зон /2/. И поэтому размещение здесь системы магистральных трубопроводов, в целях обеспечения безопасности их сооружения и эксплуатации, нуждается в геомеханическом и геодинамическом обосновании как по местоположению трасс, так и прочностных характеристик (с учетом знакопеременных как медленных, так и быстрых (сейсмических) воздействий) основных конструкций, обеспечивающих сопряжение трубопровода с геологической средой. Трубопроводы могут рассматриваться как линейный комплекс транспортировки энергоносителей, являющийся объектом повышенной промышленной опасности. Совместно с геологической средой трубопроводы представляют собой сложные и дорогостоящие протяженные природно-технические системы, требующие обеспечения максимально возможного уровня геодинамической и геоэкологической безопасности /17/. Повреждения или разрушение трубопровода на любом его участке вызывает полную остановку его работы и прекращение транспортирования углеводородного сырья. Происходящая при этом утечка нефтепродуктов приводит к негативным экологическим и экономическим последствиям и значительному ущербу окружающим природным системам. На основе данных журнала Oil &Gas /3/, построена диаграмма по объемам убытков млн. $ вследствие аварийных ситуаций на трубопроводах (рис.11). Первопричиной аварий являются многие факторы, но при этом целесообразно было бы выделить и подвергнуть системному анализу те случаи, когда разрушение трубопроводов произошло под воздействием геодинамических процессов.
Рис.11. Объемы убытков млн. $ вследствие аварийных ситуаций на трубопроводахПятидесятилетний опыт работ в регионе позволил институту создать системы мониторинга горно-геологической среды, включающие в себя нивелирные, наклономерные и светодальномерные наблюдения по специально созданным геодинамическим полигонам (рис.12); мы совместно с нашими партнерами имеем GPS-наблюдения, сейсмические станции; мы располагаем самым современным высокопроизводительным георадарным комплексом RAMAC/GPR X3M с возможностью подпочвенного зондирования пород на глубину до 30м, с получением картины в реальном режиме времени и с привязкой к глобальной системе координат. Это в полной мере правомерно и к площадке строительства завода по сжижению газа у п.Териберка, где в 20-м веке произошло землетрясение силой в 7 баллов. Именно с помощью георадарного подпочвенного зондирования можно получить наиболее детальную, дифференцированную и достоверную информацию о структуре и состоянии, а также прочностных свойствах грунтов и пород оснований на глубину до 30 м, безусловно необходимую для проектирования и строительства особо ответственных промышленных объектов. Рис.12. Геодинамические полигоны и станции наблюденийРис. 13. Фрагмент георадарного профиля переходной зоны «береговой склон – водоем»
В заключение необходимо отметить следующее:
Для обеспечения геодинамической безопасности работ и устойчивости конструкций нефтегазовых объектов Баренцрегиона и трубопроводного транспортирования углеводородного сырья необходимо проведение специальных геомеханических исследований, включающих в себя:- оценку геодинамического режима регионов добычи, переработки и хранения нефтеуглеводородов, а также по трассам трубопроводов;- оценку исходного напряженно-деформированного состояния пород коллектора и вмещающего массива и прогноз его изменений вследствие извлечения флюида;- выявление тенденции и механизмов деформационных процессов вследствие добычи нефти / газа;- идентификацию факторов, определяющих условия и механизм деформирования коллекторов и перекрывающих толщ пород;- количественную оценку геодинамических рисков;- разработку методологии управления геодинамическими рисками;- обоснование геобезопасного расположения нефтегазообъектов и трасс трубопроводов;- разработку превентивных геомеханических мероприятий по обеспечению безопасности добычных и транспортных работ и устойчивости основных конструкций и сооружений;- геодинамический мониторинг регионов добычи и транспортирования углеводородного сырья.Литература Еще статьи на тему "месторождений":Перспективы применения волоконно-оптической технологии для исследования нефтегазовых месторождений Концепция обеспечения геодинамической безопасности освоения шельфовых нефтегазовых месторождений Шаги к освоению нефтегазовых месторождений Разработка нефтегазовых месторождений на крайнем севере Опыт международного экологического права и освоение арктических месторождений
Set as favorite
Bookmark
Email This
Hits: 12337 |