CC BY
66
УДК 504.61
МАКАРСКИЙ Николай Антонович, начальник отдела по охране труда и окружающей среды ООО «Компания “Полярное Сияние”». Автор 12 научных публикаций, в т.ч. одной монографии
ГУБАЙДУЛЛИН Марсель Григорьевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий кафедрой транспорта и хранения нефти и газа Архангельского государственного технического университета. Автор 180 научных публикаций, в т.ч. 6 монографий и 3 учебных пособий
РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА АРДАЛИНСКОМ НЕФТЯНОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ
Рассмотрены методика и результаты геокриологического мониторинга, проводимого при разработке месторождения нефти на территории Ненецкого автономного округа. Показано, что тундровые грунты под слоем насыпных площадок находятся круглогодично в мерзлом состоянии. Предложены решения для снижения скорости и последствий процессов локального растепления многолетнемерзлых под действием температуры закачиваемой в недра высокотемпературной пластовой воды.
Ненецкий автономный округ, многолетнемерзлые породы, нефтепромысел, термометрическая скважина, вторичная мерзлота, локальное растепление пород
Введение. Добыча нефти и газа в условиях Крайнего Севера России сопряжена с целым рядом факторов, в основе которых лежат природно-климатические особенности данной территории и высокая уязвимость природной среды. Одним из таких объективных факторов является наличие многолетнемерзлых пород (ММП), осложняющее обустройство месторождений нефти и газа [1, 2]. Распространение ММП в зоне расположения месторождений углеводородов ставит нефтедобывающие компании перед необходимостью разрабатывать и реализовывать мероприятия, направленные на снижение техногенного воздействия объектов и процессов нефтедобычи на состояние многолетней мерзлоты. С другой стороны, необходимо стремиться к минимизации отрицательного влияния ММП на нефтегазодобывающие скважины, а также на поверхностные сооружения
(нефтепроводы, компрессорные и перекачивающие станции, производственные объекты и бытовые комплексы). Решение этих задач возможно при комплексном подходе к вопросам нефтедобычи и использования природных ресурсов северных территорий, заключающемся как в использовании передовых технических способов обустройства нефтяных месторождений с учетом природно-климатических условий региона, так и в организации системы наблюдений за состоянием верхней части геологической среды.
Для того чтобы находить и применять адекватные инженерные решения, необходимо иметь представление о текущем состоянии ММП, которое может дать только ведение длительного мониторинга верхних слоев горных пород. В настоящей статье рассмотрены результаты мониторинговых наблюдений за со-
стоянием температуры многолетнемерзлых пород, подстилающих насыпные площадки производственных сооружений Ардалинского нефте-газопромысла (АНГП).
Район АНГП расположен в Колвинской депрессии и представляет собой низкую аллювиальную и ледниково-озерную равнину. Территория сложена в основном современными и четвертичными отложениями: песками и глинами. Мощность ММП составляет в среднем 250...300 м. Материнские породы представлены нижне-, средне- и верхнечетвертичными ледниково-озерными отложениями, покрытыми современными аллювиальными и торфяными отложениями при повсеместном распространении ММП.
В общем случае сплошная мерзлота залегает на самых высоких элементах рельефа (например, на грядах холмов), а также плоских водоразделах, откуда зимой сметается снег, кроме того, сплошная мерзлота развита на торфяниках. Талики наблюдаются в понижениях, включая долины ручьев и впадины термокарстовых озер.
Характеристика ММП. Мощность вечной мерзлоты увеличивается пропорционально возрасту отложений. Вместе с тем, под руслами рек и крупными водоемами существуют несквозные таликовые зоны мощностью от 8-15 м до 40-60 м. Исследования показали, что под р. Колвой - крупнейшей водной артерией района АНГП - расположен сплошной талик. Талики также имеют локальное распространение под большими тундровыми озерами (к примеру, под оз. Кывтан-Хасырей располагается талико-
вая зона мощностью свыше 70 м, к которой приурочен вишерский водоносный горизонт, являющийся постоянным источником питьевого водоснабжения для АНГП).
Большая часть вечной мерзлоты в районе комплекса относится к типу «теплой» - ее минимальная средняя температура равна -30С. По данным постоянных измерений, в скважинах 15-метровой глубины минимальные температуры мерзлоты опускаются ниже -(2,6.. .3)0С под торфом мощностью порядка 2 м. Благодаря изолирующим свойствам торфа, температура очень незначительно меняется в течение года и с глубиной. Зависимость температуры мерзлоты от характера пород представлена в таблице.
Глубина сезонно-талого слоя (СТС) зависит от состава материнских пород и местных условий - таких, как толщина снежного покрова, густота растительности и т.д. Обычно глубина СТС увеличивается в почвах и грунтах с грубым механическим составом. Она максимальна в песке и гравии, значительно меньше в суглинках и глине и минимальна в торфе. Мощность слоя также возрастает при уменьшении влагосодержания - сухой материал оттаивает до больших глубин, нежели влажный. Сезонное оттаивание почвы начинается сразу после схода снежного покрова и завершается к концу августа, в октябре вновь происходит замерзание. В районе АНГП толщина активного слоя варьирует от 0,4 до 2,8 м. Средние значения по типам пород следующие: песок 1,6____2,1 м, супесь 1,4____________________________1,8 м, суглинок 1,2_1,7 м, глина
0,8__1,2 м, торф 0,4. ..0,7 м.
СРЕДНИЕ ГОДОВЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
№ п/п Возраст и тип пород Пределы средних годовых температур мерзлоты, °С
1 Торф от -2,4 до -3,0
2 Верхнечетвертичные - современные озерно-аллювиальные отложения от -2,0 до -2,1
3 Среднечетвертичное ледниково-морские отложения от -2,1 до -2,4
4 Нижнечетвертичные ледниковые и ледниково-морские отложения от -2,4 до -2,6
Методика и результаты наблюдений за состоянием верхнего слоя ММП. На
Ардалинском месторождении обустроены насыпные грунтовые производственные площадки «А», «Б» и «Ц» кустовых скважин, промпло-щадка центрального пункта сбора (ЦПС) и внутрипромысловые дороги. Производственные объекты расположены на свайных основаниях, приподнятых над отсыпкой.
С целью наблюдения за состоянием ММП на Ардалинском нефтяном месторождении пробурены и оборудованы термометрическими скважинами следующие объекты: на площадке ЦПС - 10 скважин, на производственной площадке «А» - 3 и 1 фоновая, расположенная в 150 м южнее от границы площадки, в пределах производственной площадки «Б» - 3 {рис. 1).
Как видно на рис. 1, производственные площадки, на которых расположены объекты нефтедобычи, обладают густой сетью источников наблюдений, позволяющих получать большой объем информации о температуре ММП на различных горизонтах. Для получения данных часть скважин была обустроена термометрическими косами, рабочим элементом в которых является температурный датчик («термистор»), меняющий свое сопротивление в зависимости от изменения температуры окружающих пород. Для снятия показаний в таких скважинах используется прибор «Fluke», с помощью которого измеряется сопротивление каждого датчика, а затем полученные данные с помощью компьютерной программы пересчитываются в показания температуры. Другая, менее численная часть скважин обустроена температурными косами с датчиками, фиксирующими непосредственно температуру окружающей среды. Для замера температуры в таких скважинах используется электротермометр «ЭТЦ-0,1/10».
Частота замеров температуры ММП в наблюдательных скважинах, как правило, составляет 1 раз в месяц. В случае обнаружения каких-либо отклонений от установившегося температурного режима ММП частота наблюдений может быть увеличена. На рис. 2 для примера приведены графики изменения темпе-
ратуры ММП по результатам замеров в одной из таких скважин.
Судя по показаниям датчиков, температура как слоя насыпной площадки, так и подстилающих тундровых почв (залегающих с глубины 2,5 м от поверхности площадки - датчик № 5) находятся круглогодично в отрицательном интервале температур. Максимум промерзания верхнего слоя насыпной площадки происходит в феврале, за этим следуют процессы оттаивания, достигающие пика в августе-сентябре, после чего по мере понижения температур наружного воздуха начинают развиваться процессы промерзания. Следует отметить, что с глубины установки датчика № 14 (7 м) температура ММП не опускается ниже -2,00С, а с глубины установки датчиков № 18, 19, 20 (соответственно глубины 13, 16, 19 м от поверхности тундры) температура верхнего слоя толщи ММП не опускается ниже -1,00С.
Приведенные на рис. 2 графики свидетельствуют о том, что наличие насыпных сооружений не оказывает растепляющее влияние на подстилающие тундровые ММП. Наоборот, изолирующая роль насыпных площадок способствует менее резкому колебанию температуры верхних слоев тундровых почв, а в толще отсыпки происходит новообразование мерзлого слоя («вторичная мерзлота»). Употреблять термины «оттайка - промерзание» в данном случае можно лишь условно, т.к. протаивания поверхности отсыпных сооружений и размягчения грунта фактически не происходит. Имеет место лишь повышение температуры верхнего слоя насыпного грунта до максимальных значений +(7..8)0С и далее понижение температуры поверхности отсыпки до -(1...2)0С.
Для сравнения на рис. 3 показаны результаты измерений за этот период в фоновой скважине А-71.
Далее рассмотрим показания температурных датчиков в скважинах, расположенных на производственной площадке «Б», на которой производится обратная закачка пластовой воды, добываемой вместе с нефтью и отделяемой от последней в процессе ее подготовки. Закачка пластовой воды производится через 4 водона-
и
о
с
2
(Й
—•— 21-янв-Об
—■— 20-фев-06
А ■ 27-мар-06
14-апр-06
21-май-06
• • 15-июн-Об
14-июл-Об
10-авг-06
15-сен-Об
♦ 15-окт-Об
11-ноя-Об
А • 14-дек-Об
Рис. 2. График изменения температуры ММП в термометрической скважине А-73 на насыпной производственной площадке «А», где происходит добыча нефти
— 21-янв-06
■— — 20-фев-06
--А- - 27-мар-06
■ ■ 14-апр-06
—ж- — 21-май-06
— 15-июн-06
—1— — 14-июл-06
—■— — 10-авг-06
■ - 15-сен-06
—♦- — 15-окт-06
— 11-ноя-06
А— — 14-дек-06
Рис. 3. График изменения температуры ММП по результатам замеров в фоновой термометрической скважине А-71
гнетательные скважины (Б-01, 02, 03, 04). Температурная скважина Б-71 расположена на расстоянии 4,5 м от нагнетательной скважины Б-04, где суточная закачка воды составляет 2,6 тыс. м3, подстилающих насыпную площадку. С начала эксплуатации этой нагнетательной
скважины в нее закачано 4356,0 тыс. м3 пластовой воды.
На графиках (рис. 4) видно, что закачиваемые в нагнетательные скважины большие объемы воды, имеющей температуру +680С, оказывают активное растепляющее воздей-
—X-------14-апр-06
—Ж------21-май-0 6
—•-------15-июн-Об
■-Н—- 14-июл-Об ■■■—■ 10-авг-06
■ - — - — 17-сен-Об ------ 15-окг-Об
— 11-ноя-Об
■ -А---15-дек-06
-X- - - 14-апр-06
-Ж----21-май-06
- — 15-июн-Об
—I----14-июл-Об
-■----10-авг-06
- 17-сен-06 -♦— 15-окг-Об
-■----11-ноя-Об
-А--- 15-дек-Об
Рис. 4. Графики изменения температуры ММП в наблюдательной термометрической скважине Б-71 (а) и Б-74 (б)
ствие на толщу ММП. Воздействие температур наружного воздуха отмечается только до глубины Зм от поверхности площадки и 1 мот поверхности тундровых почв (глубина установки датчика № 7). В пределах этого глубинного интервала происходит колебание температур
почв, включающее диапазон от -40С в апреле до +100С в августе (показание датчика № 1). Ниже глубины 3 м от поверхности площадки (датчики № 8-12) значения температуры устойчиво находятся в интервале от 0 до +50С, а ниже установки датчика № 13 (8 м от поверх-
ности площадки ибмот поверхности подстилающих площадку тундровых грунтов) явно отслеживается растепляющее влияние закачиваемых в скважину масс горячей воды. Показания датчиков № 17, 18и 19 (глубины 18, 21, и 24 м от поверхности площадки) в течение периода наблюдений с апреля по декабрь составляют соответственно +13, +18, + 300С.
Вместе с тем, сравнение графиков изменений температур ММП в скважинах Б-71 и Б-74 показывает, что с удалением от источника тепла процессы растепления затухают {рис. 46). Скважина Б-74 расположена на большем удалении (9 м) от нагнетательной скважины Б-01. По показаниям датчиков № 17-20 (на глубинах соответственно 18, 20, 24,5, 29,5 м от поверхности площадки) температура ММП не превышает +(3...5)0С.
Выводы. Анализ изложенного материала позволяет отметить следующее:
1. В толще насыпных площадок Ардалинс-кого нефтяного месторождения за длительный период эксплуатации сформировался новый слой ММП, с мощностью практически равной толщине отсыпки. Максимальная глубина оттайки
в летние периоды составляет до 0,3-0,5 м. Многолетнемерзлые тундровые почвы под слоем насыпных площадок находятся круглогодично в мерзлом состоянии.
2. Исключение из общего правила составляет ситуация на площадке «Б» Ардалинского месторождения, где под действием температуры закачиваемой пластовой воды происходит растепление ММП. Этот процесс имеет локальный характер, т.к. в термометрической скважине Б-74, находящейся на расстоянии 9 м от нагнетательной скважины Б-04, влияние положительных температур закачиваемой пластовой воды уже не имеет такого ярко выраженного характера. Снизить скорость и последствия процессов растепления возможно, применив следующие конструктивные решения: а) охлаждение закачиваемой воды; б) использование для закачки пластовой воды одиночных нагнетательных скважин; в) применение для закачки кустовых скважин с расстоянием между ними, превышающим радиус растепления от одиночной скважины, для исключения эффекта суммирования растепляю-щих процессов.
Список литературы
1. Макарский Н.А., Коробов С.В. Результаты мониторинга термического режима грунтов на Ардалинском нефтедобывающем комплексе II Проблемы освоения нефтегазовых месторождений Европейского Севера России: сб. науч. тр. Вып. 2. Архангельск, 2007. С. 61-65.
2. Губайдуллин М.Г., Калашников А.В., Макарский ДАОценка и прогнозирование экологического состояния геологической среды при освоении севера Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции. Архангельск, 2009.
Makarsky Nikolay, Gubaidullin Marsel RESULTS OF PERMAFROST MONITORING AT THE ARDALIN OILFIELD
The methods and results of the permafrost monitoring performed in the course of the oilfield development in the Nenets Autonomous Area. The tundra ground under the gravel pad layer is shown to be frozen throughout the year. The authors suggest some solutions to reduce the rate and mitigate the consequences of local permafrost thawing caused by high-temperature intermediate water re-injected into the formation.
Контактная информация: Макарский Николай Анатольевич e-mail\ Nickolai.A.Makarsky@plc-oil.ru Губайдуллин Марсель Григорьевич e-mail', thng@agtu.ru
Рецензент-Коробов В.Б., доктор географических наук, директор Центра развития и координации инновационной деятельности Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
