Технология инженерно-геологического бурения не предполагает герметизации скважин и измерения в них давления газа

РОКОС С.И.
ОАО АМИГЭ, Россия

При бурении инженерно-геологических скважин в пределах мелководных районов Печорского и Карского морей неоднократно отмечались выбросы газо-водяной смеси, насыщенной взвешенными грунтовыми частицами. Выбросы происходили в диапазоне глубин от 20 до 50 м ниже поверхности дна (весьма малые глубины для такого явления).

Несомненно, что эти выбросы связаны с интервалами газонасыщенных осадков, имеющих аномально высокое пластовое давление. Скопления газа, создающего такое давление, локализуются в своеобразных мини-ловушках. Насыщение осадков газом произошло по видимому в результате промерзания в позднем неоплейстоцене и деградации криолитозоны в условиях современного морского бассейна [1, 3, 4]. По видимому данные мини-ловушки представляют собой прослои или серии тонких слойков песчаного состава, перекрытые сверху и снизу слабопроницаемыми глинисто-суглинистыми образованиями.

Технология инженерно-геологического бурения не предполагает герметизации скважин и измерения в них давления. Это делает невозможным точную оценку давления в интервалах газонасыщенных осадков. О величине аномально высокого давления можно судить лишь на качественном уровне по характеру и интенсивности выбросов (в основном по высоте фонтана газо-водяной смеси над устьем скважин).

По этому признаку было отмечено, что довольно интенсивные и мощные выбросы (высота фонтана над устьем до 1-2 м) имели место в интервалах, приуроченных к интервалам песчаного состава внутри толщи казанцевско-микулинских стабилизированных глин и суглинков тугопластично-полутвердой консистенции. По всей видимости стабилизированные и относительно консолидированные глинистые образования играют роль флюидоупоров (покрышек). Эти покрышки препятствуют рассеиванию и способны сдерживать относительно высокое давление, которое создается газом во внутренних проницаемых интервалах песчаного состава, играющих роль коллекторов.

Менее интенсивные выбросы имели место из нижневалдайско-зырянских песков (высота фонтана менее 1 м). Они происходили на участках, где эти пески залегали в виде обособленных линз, приуроченных к мелким врезам в кровле микулинско-казанцевской толщи. Сверху данные линзы перекрыты средневалдайско-каргинскими образованиями. Средневалдайско-каргинские образования, являясь нестабилизированными слабоконсолидированными глинистыми грунтами текучей-текучепластичной консистенции, не могут сдерживать высокого избыточного давления, которое создается газом в подстилающих зырянских песках. Соответственно избыточное давление, создающиеся в таких условиях, будет более низким по сравнению с давлением, образуемым в песчаных интервалах внутри толщи стабилизированных и относительно консолидированных микулинско-казанцевских глинисто-суглинистых отложений.

Наиболее мощные и интенсивные выбросы наблюдались при бурении инженерно-геологических скважин в толще многолетне мерзлых пород. Самый яркий из них имел место на объекте «Диапиры» (восточная часть Печорского моря, около 60-70 км на ЮЗЗ от пролива Карские Ворота) [2]. В районе этого объекта на поверхности дна широко развиты изометричные в плане диапироподобные поднятия с относительным превышением до 30-50 м при ширине основания до 70-100 м. На сводах этих поднятий, при глубине менее 0.5 м ниже дна, бурением были вскрыты мерзлые льдистые грунты. На участках между поднятиями также распространены мерзлые льдистые отложения. Однако здесь их кровля залегает на глубине около 20-30 м.

Всего в районе объекта «Диапиры» было пробурено четыре инженерно-геологических скважины. Две скважины пройдены на присводовых частях диапироподобных поднятий. Наиболее глубокая из этих скважин вскрыла, начиная от поверхности дна до глубины около 100 м, монотонную мерзлую толщу предположительно микулинских морских глин и суглинков. Материалы бурения показали, что в верхней присводовой части поднятия объемная льдистость грунтов достигает 80-95 % и более (ледогрунт). Вниз по разрезу содержание льда заметно уменьшается. Начиная с глубины около 30 м ниже поверхности дна объемное содержание льда не превышает 30 % и постепенно уменьшается вниз по разрезу.

Две другие скважины были заложены за пределами поднятий. Последняя из них была пробурена на участке между диапироподобными поднятиями. Этой скважиной кровля многолетнемерзлых пород, представленных микулинскими глинами, была вскрыта на глубине 20.2 м ниже поверхности дна. В процессе дальнейшего бурения с глубины около 49.5 м ниже поверхности дна произошел мощный выброс газо-водяной смеси. Высота фонтана достигала более 10 м. Вокруг судна образовался «котел кипения» диаметром около 150-200 м, внутри которого наблюдалось бурление воды с пузырьками газа и взвешенными грунтовыми частицами.

В результате попадания газа в систему охлаждения силовой установки, заглох главный, а затем и вспомогательный двигатели. Буровое судно потеряло ход и управление, что привело к обрыву колонны бурильных труб и смещению с точки скважины. По причине насыщения морской воды пузырьками газа изменились ее свойства. Это вызвало выход из строя гидроакустической системы динамического позиционирования, а также частичную потерю плавучести самого судна.

Вероятнее всего причиной данного выброса явилось вскрытие скважиной приповерхностного кармана, содержащего большое количество газа под высоким давлением. По видимому этот карман приурочен к песчаной линзе, залегающей внутри или в основании толщи многолетнемерзлых микулинских глин. Очевидно, что мерзлые глины обладают значительно более высокой прочностью и меньшей проницаемостью по сравнению с их талыми аналогами. Соответственно внутри

Вероятнее всего причиной данного выброса явилось вскрытие скважиной приповерхностного кармана, содержащего большое количество газа под высоким давлением. По видимому этот карман приурочен к песчаной линзе, залегающей внутри или в основании толщи многолетнемерзлых микулинских глин. Очевидно, что мерзлые глины обладают значительно более высокой прочностью и меньшей проницаемостью по сравнению с их талыми аналогами. Соответственно внутри их толщи или под ее покровом могут создаваться относительно высокие давления.

В связи с этими обстоятельствами возникает вопрос о генезисе самих диапироподобных поднятий. По видимому рассматриваемые структуры возникли в результате деформаций осадочной толщи под давлением газа. Можно предположить, что скопления газа с аномально высоким пластовым давлением содержатся в разрозненных песчаных линзах. Эти линзы развиты на участках относительно ровного дна, разделяющих диапироподобные поднятия. Вероятно при снижении внешнего горного давления в результате колебаний уровня моря, сейсмических сотрясений, волнения, абразионно среза и т.п. газ, защемленный в локальных коллекторах (песчаных линзах) расширяется, а его давление на вмещающий флюидоупор в виде мерзлых глин увеличивается. Последнее вызывает деформации в осадочной толще и выжимание вмещающих отложений в латеральном направлении и вверх по разрезу.

При этом, в первую очередь, мобилизуются наиболее льдистые и, соответственно, пластичные (при достаточно больших давлениях) разности. В результате таких деформаций и выжимания к поверхности дна высокольдистых образований формируются поднятия с ледогрунтовыми сводами.

Касаясь более широкой проблемы дислокаций толщи четверичных отложений Баренцево-Карского шельфа, автор считает, что они главным образом обусловлены конвективным перемешиванием. По видимому квазирегулярные чередующиеся пологие складки, наблюдаемые на временных разрезах в средневалдайско-каргинских глинистых толщах глубоководных районов Баренцево-Карского шельфа, связаны именно с этим явлением. В мелководных же районах, где квазирегулярный характер чередования складчатых форм осложняется отдельными высокоамплитудными нерегулярными дислокациями, на конвективное перемешивание накладываются и другие факторы.

Можно предположить, что нерегулярные формы отчасти связаны и с воздействием давления, создаваемого защемленным газом. По видимому газ, скапливающийся в сводах антиклинальных изгибов подошвы каргинско-средневалдайской толщи, стремится вверх по разрезу, создавая тем самым избыточное давление.

Когда это давление достигает некоторого критического значения, вероятно сопоставимого с сопротивлением недренированному сдвигу осадков данной толщи (около 5-30 КПа), происходит деформация. Кроме того деформации, связанные с давлением газа, могут также развиваться по схеме ползучести. Данная схема не предполагает наличия критической величины давления газа, а требует наличия возможно даже относительно низкого (меньше критического) давления в течение достаточно длительного времени.

Литература
Бондарев В.Н. и др. Акустические фации посткриогенных обстановок мелководных районов Печорского и Карского морей // Разведка и охрана недр, №7-8, 1999, с.10-14
Бондарев В.Н. и др. Подмерзлотные скопления газа в верхней части осадочного чехла Печорского моря // Геология и геофизика, Том 43, №7, 2002, с. 587-598
Рокос С.И. и др. Свободный газ и многолетняя мерзлота в осадках верхней части разреза мелководных районов шельфа Печорского и Карского морей / Седиментологические процессы и эволюция морских экосистем в условиях морского перигляциала. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2001. с. 40-52
Тарасов Г.А., Рокос С.И. Газонасыщенные осадки губ и заливов южной части Карского моря // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода, №67, 2007г., стр. 66-75

Нефть и газ арктического шельфа-2008: материалы конференции