Баду Ю.Б.

МГУ им.М.В.Ломоносова, Географический ф-т, кафедра криолитологии и гляциологии

ЗАДАЧИ ГАЗОПРОМЫСЛОВОЙ КРИОЛИТОЛОГИИ

 

Осуществление задач рациональной организации освоения газовых залежей Крайнего Севера России весьма затруднено экстремально неблагоприятными природным условиями. Из-за недостатка информации представление об этих условиях не всегда правильное, в связи с чем они не имеют адекватной технической интерпретации уже в течение последних 20-30 лет и в практике разведки и эксплуатации газопромыслов учитываются слабо. Между тем все важнейшие элементы региональных мерзлотных условий - распространение вечномерзлых пород (ВМП), их температура, строение и мощность, криогенная текстура и льдистость, гидрогеологические условия мерзлой зоны - выявлены с достоверностью, достаточной, чтобы принимать их во внимание при детальных крупномасштабных исследованиях, при планировании хозяйственного освоения газопромысловых площадей. Поэтому главной задачей газопромысловой криолитологии является использование всех новейших достижений наук о мерзлоте в газодобывающей промышленности с целью прогнозирования взаимодействия ВМП с горными выработками.

Известно, что пространственная изменчивость мерзлотных условий газоносных районов России обусловлена всем ходом геологического развития этих территорий и акваторий в плейстоцене. Здесь выделяются зоны с резко различной геокриологической обстановкой, параметры которой закономерно изменяются как в плане, так и по разрезу. При этом нередко ряд факторов природной среды (в первую очередь - неоднородность и пестрота состава пород, их влажность, степень расчлененности рельефа, его возраст) существенно осложняет закономерную картину распределения параметров мерзлой толщи. Так, например, в Запад­ной Сибири нередко мощность ВМП определяется возрастом геоморфологического уровня в большей степени, чем широтным положением местности. Криогенное строение и льдистость верхней части разреза ВМП существенно изменяется даже в близлежащих районах. Это наблюдается и в Северной Якутии, и в Западной Сибири из-за многообразия ландшафтных и литолого-фациальных условий формирования мерзлых пород. В нижней части разреза ВМП льдистость пород в основном определяется величиной температурного градиента при промерзании и гидрогеологическим строением разреза. Все эти факторы в различных сочетаниях определяют различный характер площадного распространения  мерзлых и талых пород, их температуру, глубину сезонного протаивания - промерзания, интенсивность криогенных процессов. Недоучет этих факторов приводит, как правило, к неправильному пониманию общих и частных закономерностей мерзлотной обстановки месторождения и к ошибкам в планировании научно-исследовательских работ по разведке и эксплуатации газовых месторождений.

Побережье арктических морей и арктический шельф представляют собой малоосвоенную зону, где выявлены крупные залежи полезных ископаемых. Мерзлое состояние пород побережья и дна мелководных акваторий выявляет основные требования к определению условий освоения и эксплуатации месторождений, строительства различных объектов и др. Только комплексное изучение особенностей развития ВМП в этих районах на материалах широкого геокриологического исследования обусловит успешную реализацию экономических задач освоения Севера.

На огромных просторах западного и восточного сектора Арктики и Субарктики ВМП развиты вне акваторий практически на всех элементах рельефа. Даже отложения морских пляжей, мелководий озер, бечевников и островов в долинах рек находятся в мерзлом состоянии с глубин 0,5-1,5м. Мерзлые толщи развиты и под мелководными прибрежными акваториями.

Современные мерзлые толщи залегают узкой полосой (обычно до 10км) в прибрежной зоне. Реликтовые образования мерзлоты, возникшие в среднем и верхней плейстоцене, сохранились отдель­ными массивами на глубинах в несколько десятков метров от дна моря, где толща воды не превышает 10-20 м.

Все газовые месторождения и перспективные газоносные площади Севера России расположены в существенно неодинаковых мерзлотных условиях. Каждое месторождение или перспективная площадь характеризуется целым комплексом параметров мерзлой толщи: геологическое и гидрогеологическое строение, мощность ВМП, температура, состав и льдистость, теплофизические свойства, засоленность пород и др., - определяющим основные  черты технологии строительства и эксплуатации газовых скважин и прочих промысловых объектов. Очевидно, что именно нарушения или отступления от этой технологии приведут или уже приводили к осложнениям и авариям на газопромыслах.

Зона практически сплошного распространения ВМП характеризуется широким развитием низкотемпературных и льдистых мерзлых толщ. На севере зоны среднегодовая температура ВМП изменяется от минус 6 до минус 12-13 0С. На юге ее значения повышаются до минус 2-4 0С в связи с возрастающей теплообеспеченностью территории.

Характерные особенности геокриологических условий для различных групп газовых месторождений и перспективных площадей на территории Севера России представлены на схеме в конце статьи. Рассмотрим  эти черты несколько подробнее.

Максимальная мощность ВМП отмечается в Центральных районах Якутии (до 1000-1200м), а также в наиболее древних и возвышенных частях севера Западно-Сибирской плиты (до 400-500м, иногда более). Минимальные мощности (до 50м) отмечаются в прибрежной полосе арктических морей. Мощность толщ субаквальной мерзлоты, залегающей на глубинах 20-50м от дна, достигает 100-150 м, иногда более.

На участках, непосредственно прилегающих к морским акваториям, широко развиты маломощные мерзлые толщи, подстилаемые охлажденными породами, насыщенными сильно минерализованными водами с отрицательной температурой - криопэгами.

В верхней части разреза ВМП(от поверхности до глубины 20-100 м) широко распространены пластовые залежи подземного льда: сегрегационного, инъекционного, погребенного, а также  и полигонально-жильные льды. Суммарная объемная льдистость достигает в Западной Сибири 75-85%, а в отдельных районах севера Якутии - 90-95%. Ниже, на глубинах 25-120м, она колеблется в пределах 30-55%, уменьшаясь до 10-20% у подошвы ВМП. В целом распределение льдистости по разрезу за­висит от гидрогеологических условий территории, существовавших до начала промерзания. В глинистых разрезах максимальная льдистость обычно наблюдается в верхней 10-30-метровой части разреза. В глинистой толще с песчаными водоносными горизонтами над последни­ми в процессе промерзания аккумулируются огромные скопления льда и льдогрунтовой массы.

При оттаивании льдистые породы почти всегда принимают текучую консистенцию. Их потенциальная осадка с поверхности составляет 4-6м, а при вытаивании крупных скоплений подзем­ных льдов образуются воронки и озера катастрофических размеров.

Таким образом, 1,2 и 3 группы месторождений расположены в условиях сплошной и монолитной толщи ВМП, преимущественно глинистого состава, низких температур и значительной мощности, высокой насыщенности различными типами залежей льда, с наличием мощной (20-100 м) подмерзлотной толщи охлажденных пород, с развитием над-, меж-  и подмерзлотных криопэгов.

Аварийные ситуации на этих месторождениях могут возникнуть и возникают из-за малейшего нарушения естественного равновесия любого компонента мерзлой толщи, поэтому зависимость технологии строительства и эксплуатации от мерзлотных условий здесь будет максимальной.

Зона совместного распространения вечномерзлых и сезонномерзлых пород  характеризуется существенной пестротой площадного распространения мерзлых и талых пород. Температура мерзлых грунтов здесь не ниже минус 3-4 0С, а талых - не выше 2-3 0С.

Характер вертикального строения толщ ВМП и их мощность изменяются в широких пределах. Наряду со сплошными и мощными толщами здесь широко развиты сезонномерзлые породы мощностью 5-15м, не сливающиеся с кровлей ВМП. В поймах рек мощность ВМП заметно уменьшается до 40-80м, иногда менее. На юге зоны часто встречаются двух- и трехслойные толщи мерзлых пород, разделенных таликовыми слоями водоносных горизонтов. В самой южной части зоны (в Западной Сибири) отмечены реликтовые толщи ММП на глубинах от 75-100 до 150-250 м, а подошва - от 200-250 до 350-400 м.

ВМП этой зоны лишь в самой верхней части разреза имеют довольно высокую льдистость - 50-60%. Наиболее льдонасыщенные грунты залегают под мощными торфяниками, в ядрах бугров пу­чения и гидролакколитов. Сильнольдистые горизонты в ряде случаев локализованы на глубинах в несколько десятков метров и связаны с промерзанием напорных вод в опоковидных водоносных глинах и диатомитах палеогена.

При оттаивании такие грунты принимают обычно вязкотекучую или пластичную консистенцию. Потенциальная осадка их при оттаивании достигает максимальных размеров 3-5м на участках развития мощных торфяников, а вне их она обычно не превышает 1-2 м. Породы более глубоких горизонтов при оттаивании практически не изменяют свою текстуру.

Месторождения 4 и 5 групп, расположенные в пределах данной зоны, находятся в более благоприятных геокриологических условиях благодаря большей песчанистости состава мерзлых по­род и гораздо меньшей льдонасыщенности.

Аварийные ситуации здесь возникают обычно в верхней 10-ЗО-метровой части разреза мерзлых пород с повышенной льдистостью. Тем не менее, отмечаются серьезные осложнения при кавернообразовании в процессе бурения и при восстановлении температурного режима мерзлой толщи в процессе эксплуатации. Игнорирование особенностей геокриологической обстановки приводит здесь не только к активным просадкам поверхности, но и к столь же активному процессу протаивания мерзлых пород и развитию мощных напряжений, деформирующих стволы эксплуатационных скважин.

Месторождения 6 группы, расположенные на арктическом шельфе вблизи береговой линии, еще недостаточно разведаны, а данные по геокриологии практически отсутствуют. Здесь следует предусматривать ряд дополнительных мер по предотвращению возможных осложнений. В процессе бурения сквозь толщу морского льда и воды следует учитывать также влияние достаточно мощной (10-50м) толщи несцементированных льдом охлажденных пород, насыщенных криопэгами. Тем более, что местами эти породы сверху перекрыты 5-20-метровой пачкой современных вечномерзлых пород пониженной прочности.

Участки развития реликтовых ВМП совершенно не изучены, установлено лишь их существование в отдельных районах мелководья арктического шельфа. Поэтому успешное освоение месторождений здесь зависит не только от высокого технологического уровня разведки и эксплуатации. Оно станет реально возможным лишь после изучения конфигурации и теплового поля мерзлой субаквальной толщи, определения ее физических характеристик, изучения особенностей развития криогенных процессов и явлений, а также составления по этим данным геокриологической и криолитологической характеристики каждого месторождения и разработки  долгосрочного прогноза взаимодействия эксплуатационных объектов с вечномерзлыми породами.

Становится очевидным, что за несколько лет до начала разработки и эксплуатации газового месторождения необходимо выполнить довольно обширную программу геокриологических и криолитологических исследований для создания методов долгосрочного прогнозирования и непосредственно прогноза взаимодействия газовой скважины с ВМП. Такая программа целиком должна быть основана на проблемных направлениях тематики РФФИ и Газпрома. Научно-технической базой выполнения этой программы должна стать станция геокриологического контроля (СГК), создаваемая для каждой группы месторождений и тесно связанная  с соответствующими научными подразделениями (ВНИИГаз, МГУ, НИИОСП).

Работа СГК полностью направляется на эффективное снижение затрат по разведке, обустройству и эксплуатации газовых месторождений и газопроводов. Это достигается:

- увеличением объема, повышением качества и строгой систематизацией геокриологической информации о ВМП газопромыслов;

- повышением оперативности и надежности выдачи этой информации планирующим органам Газпрома;

- развитием перспективных научно-технических исследований на побережье и шельфе Северного Ледовитого океана.

В основные задачи СГК должно входить:

1. Наблюдение за техническим состоянием скважин и газопроводов.

2. Наблюдение за изменением геокриологической обстановки в пределах группы месторождений.

3. Наблюдение за развитием криогенных процессов в толще ВМП вокруг эксплуатационных скважин с целью его долгосрочного прогнозирования.

4. Моделирование процессов протаивания мерзлоты вокруг различных типов скважин и их кустов в ускоренном масштабе времени.

 5. Организация и экспериментальное строительство скважин по прогрессивным проектам заказчиков с обязательной постановкой тщательных экспериментов, а также наблюдений за тепловым режимом ВМП, осадками при протаивании, осложнениями и авариями при работе скважин.

Опыт сооружения и эксплуатации подобной станции в Якутии показал, что только непрерывный контроль над состоянием скважин и газопроводов, режимные и экспериментальные наблюдения могут обеспечить материал для долгосрочного прогнозирования взаимодействия ВМП с горными выработками.

СГК должна создаваться с опережением проекта разработки месторождения или группы их на 3-4 года. Основная работа станции должна проводиться по четырем направлениям:

1. Увеличение объема и систематизация информации о ВМП газопромыслов.

2. Разработка эффективной технологии строительства газодобывающих объектов с учетом активизации криогенных процессов.

3. Исследование взаимодействия ВМП с газодобывающими объектами.

4. Изучение фазовых состояний ВМП, генезиса пластовых ледяных и газгидратных залежей, динамики развития криогенных процессов.

Отмечая на