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.
Эти последствия сопровождаются значительным экономическим ущербом.
Известны случаи аномальных (более 1 м) деформаций земной поверхности на длительно разрабатываемых нефтяных и газовых месторождениях в США, Венесуэле, на Северном море и в других регионах, что связывается с извлечением жидкости из резервуара и снижением пластового давления.
Зарегистрированы случаи проявления землетрясений, в тч 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 тд.
Наиболее опасные формы этих последствий - сильные деформации наземных сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных скважин, порывы промысловых трубопроводных систем.
Экологические и социально-экономические последствия могут быть, как прямыми (загрязнение геологического разреза и подземных водных ресурсов углеводородными составляющими и продуктами бурения), так и косвенными (развитие оползневых процессов, меняющих ландшафт и флюидный режим приповерхностных отложений, заболачивание территорий с необратимыми изменениями экосистем, перенос углеводородных компонентов по водоносным горизонтам).
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: значительная площадь разрабатываемого месторождения (порядка 100 км2 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 (вес), направленное вниз, преодолеет тектонические напряжения, сформировавшие ловушку - поднятие.
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 - это 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 (5-7)•10-5 / год.
Поэтому их называют суперинтенсивными деформациями (СД) земной поверхности, а разломы, в пределах которых они выявляются, определены, как «опасные».
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.
Учитывая, что эти процессы достигают аномально высоких деформаций, соизмеримых с порогом разрушения, за время сопоставимое с периодом эксплуатации объектов, то становятся очевидными существенное экологические и социально-экономические последствия их воздействия на объекты нефтегазового комплекса.
Известны многочисленные примеры негативных последствий активизации СД процессов на нефтяных и газовых месторождениях.
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.
Создание и функционирование геодинамических полигонов на месторождениях нефти и газа, осуществляется в целях обеспечения промышленной безопасности и охраны недр и предписывается следующими нормативными документами Ростехнадзора:
РД 07-309-99 («Положение о порядке выдачи разрешений на застройку площадей залегания полезных ископаемых» пп. 42, 43, 48);
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).
При этом следует иметь в виду, что наибольшую информацию об организации и регламентации работ на геодинамических полигонах содержит последний документ. Дополнительная информация содержится также в ряде отраслевых документах, например, «Руководство по геодинамическим наблюдениям и исследованиям для объектов ТЭК», М.: Минтопэнерго РФ, 1997; «Концепция. Геодинамическая безопасность освоения углеводородного потенциала недр России», М.: Минтопэнерго РФ, РАН, 2000, в которых изложены требования к составу методов, точности измерений и частоте опроса наблюдений на геодинамических полигонах. Кроме того, существует ряд других нормативных документах, где отражены вопросы необходимости организации системы геодинамических наблюдений. 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.
Последовательность действий по созданию и функционированию геодинамических полигонов.
К настоящему времени основными методами наблюдений на геодинамических полигонах являются: геодезические (в первую очередь, нивелирование), которые изредка дополняются гравиметрическими, геохимическими и, в очень редких случаях, сейсмологическими измерениями. Подобная ситуация является объективной и не только в связи с тем, что так предписано нормативными документами. Большинство нефтегазовых месторождений находится в платформенных, слабосейсмичных регионах, а наиболее негативные (опасные) геодинамические явления - это обширные просадки территории месторождений и деформационные процессы в зонах разломов, что и определяет доминирование методов прямого изучения деформаций. Именно поэтому для работ в этой области привлекаются специализированные организации, имеющие соответствующие лицензии в области производства геодезических и маркшейдерских работ. Сложившаяся в настоящее время практика по созданию геодинамических полигонов заключается в следующей последовательности действий.
1. Проводится предварительная геодинамическая экспертиза объекта (месторождения, трубопроводной системы, пересекающей месторождение и/или другие элементы застройки территории месторождения), которая осуществляется специализированной организацией, располагающая сотрудниками, аттестованными в системе экспертизы промышленной безопасности и охраны недр в нефтяной и газовой промышленности Ростехнадзора и имеющими опыт работы на геодинамических полигонах. В результате этой экспертизы делается заключение о необходимости (целесообразности) организации геодинамического полигона. Данная экспертиза не требует согласования ее результатов с органами Ростехнадзора и наличия у организации лицензии на производство маркшейдерских работ.
2. В случае, если предварительная геодинамическая экспертиза показала необходимость создания геодинамического полигона, то готовится горно-геологическое обоснование (в соответствии с РД 07-603-03 «Инструкция по производству маркшейдерских работ») и технический проект (программа) системы геодинамических наблюдений (геодинамического полигона). Эти документы разрабатываются организацией, имеющей лицензию на производство маркшейдерских работ, а также экспертов аттестованных в Ростехнадзоре.
3. Технический проект (программа) геодинамического полигона согласовывается в Ростехнадзоре при наличии экспертного заключения на проект по охране недр, который дается организацией, располагающей сотрудниками, аттестованными в системе экспертизы промышленной безопасности в нефтяной и газовой промышленности Ростехнадзора и имеющими опыт работы на геодинамических полигонах. Данная организация может и не иметь лицензию на производство маркшейдерских работ, т.к. экспертиза по охране недр не требует утверждения в Ростехнадзоре.
4. После согласования технического проекта (программы) геодинамического полигона с органами Ростехнадзора наступает стадия закладки наблюдательных пунктов и проведения исходных (и последующих) циклов наблюдений. Эта работа осуществляется специализированной организацией, имеющей лицензию на производство маркшейдерских работ Ростехнадзора и лицензию Роскартографии на осуществления геодезических работ, в составе которой работают специалисты, аттестованные в системе экспертизы промышленной безопасности в нефтяной и газовой промышленности Ростехнадзора.
5. Анализ и интерпретация результатов работ на геодинамических полигонах осуществляется специализированными организациями, имеющими лицензию на производство маркшейдерских работ, располагающими сотрудниками, аттестованными в системе экспертизы промышленной безопасности и охраны недр в нефтяной и газовой промышленности и обладающими опытом работ на геодинамических полигонах.
