CC BY
304
УДК 614.8:622.69(571.642)
С.Г. Миронюк
Геологические опасности осваиваемых месторождений восточного шельфа о. Сахалин: идентификация и принципы картографирования
На современном этапе с точки зрения сохранения устойчивости функционирования топливно-энергетической отрасли страны возрастает значение инфраструктуры шельфовых нефтегазовых месторождений о. Сахалин, в том числе подводных добычных комплексов (ПДК). При этом необходимыми условиями безаварийной эксплуатации объектов инфраструктуры являются локализация, распознавание, параметрическое описание и прогноз развития геологических опасностей, осложняющих строительство морских сооружений.
Учитывая неоднозначность толкований термина «геологическая опасность», далее в статье под геологической опасностью будем понимать «компоненты геологической среды, которые могут неблагоприятно воздействовать на экосистемы и инженерные сооружения или вызвать их разрушение» [1]. Оценку геоопасностей проводят на всех стадиях проектирования в следующей последовательности [2]:
1) обоснование целей, задач, методов оценки и критериев приемлемых вероятностей отказов морских сооружений;
2) идентификация опасностей, которая предусматривает:
• на этапе предпроектных проработок выявление и описание всех геоопасностей на основе данных оценочных изысканий и обобщения научных публикаций и фондовых материалов, их первичную оценку, установление приоритета геоопасностей с помощью экспертных оценок, описание триггерных эффектов, построение предварительных прогнозных индивидуальных сценариев развития опасных геологических процессов;
• на этапе разработки проектной документации характеристику отдельных геоопасностей на основе детальных изысканий и исследований, включая лабораторные и вычислительные эксперименты.
Анализ материалов изысканий реализованных проектов обустройства шельфовых месторождений в восточной части Сахалина (Чайво, Лунское, Киринское и др.), а также опубликованных данных [3-9] позволил на этапе предпроектных проработок составить следующий реестр геоопасностей, выявленных в указанном регионе: землетрясения, разжижение грунтов и неравномерные осадки, цунами, газопроявления в форме внезапных выбросов газа, литодинамические процессы, ледовая экзарация в береговой зоне и др. (таблица).
Основная задача этапа предпроектных проработок - установление приоритета геоопасностей. Для предварительного выявления, описания и ранжирования геоопасностей за рубежом (ExxonMobil, Shell), а в последнее время и в России (проекты строительства газопровода «Голубой поток», освоения Киринского газоконденсатного местрождения (ГКМ) и др.), применяют разнообразные качественные и полуколичественные методы: HAZID (идентификация опасностей), АДС (анализ «деревьев событий»), аналогий и др. Использование экспертных оценок при реализации проекта обустройства Киринского ГКМ позволило выделить следующие геоопасности как приоритетные для детальных исследований: землетрясения и газопроявления (газовые карманы с аномально высоким пластовым давлением (АВПД)) [10].
С целью дальнейшей идентификации и картографирования геологических опасностей на этапе разработки проектной документации в пределах Киринской площади
Ключевые слова:
геологические
опасности,
морские
сооружения,
о. Сахалин,
идентификация
опасностей,
разжижение
грунтов,
цунами,
картографирование
геологических
опасностей.
Keywords:
geologic risks,
offshore structure,
Sakhalin,
hazards
identification,
soil liquefaction,
tsunami,
mapping of geologic hazards.
№ 2 (22 ) / 2015
114
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
Геологические опасности на площадях месторождений углеводородов
восточного шельфа о. Сахалин
Месторождение Глубина моря, м Технология добычи Геологические опасности
Одопту-море 18 Наклонно-направленные скважины Землетрясения, активные разломы, абразия, экзарация, песчаные волны, палеодолины, газонасыщенные грунты, газовые карманы
Пильтун- Астохское 27-35 Морские эксплуатационные платформы на основании гравитационного типа Землетрясения, разрывные нарушения, валуны и поля валунов, эрозия, выходы коренных пород, неоднородность грунтового основания, песчаные волны, палеодолины, газонасыщенные грунты, газовые карманы
Аркутун-Даги 15-40 Морская эксплуатационная платформа на основании гравитационного типа Землетрясения, разрывные нарушения, валуны, экзарация, песчаные волны, палеодолины, газонасыщенные грунты, газовые трубы, газовые карманы
Чайво 10-26 Морская эксплуатационная платформа на основании гравитационного типа Землетрясения, разрывные нарушения, валуны, экзарация, песчаные волны, палеодолины, газонасыщенные грунты
Лунское 42-47 Морская эксплуатационная и буровая платформа на основании гравитационного типа Землетрясения, разрывные нарушения, выходы коренных пород, валуны и поля валунов, палеодолины, газонасыщенные грунты, газовая труба, газовые факелы, покмарки
Киринское 75-90 Подводная Землетрясения, разрывные нарушения, рифели, палеодолины, газонасыщенные грунты, газовая труба, газовые карманы
выполнены комплексные инженерные изыскания, включая сейсморазведку высокого разрешения (СВР), непрерывное сейсмоакустическое профилирование (НСАП), гидролокацию бокового обзора (ГЛБО), эхолотирова-ние, подводную видеосъемку при помощи телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА), литодинамические исследования, буровые работы и пробоотбор, лабораторные исследования грунтов и др. Опыт изучения морских геологических опасностей показал, что при выявлении донных мезо- и микроформ (палеодолин, экзарационных борозд, пок-марков и т.д.) наилучшие результаты были получены в ходе совместного анализа батиметрических, сейсмоакустических данных и данных гидролокатора бокового обзора. При этом очевидны преимущества многолучевого эхолоти-рования по сравнению с однолучевой моделью. Для получения данных о латеральной изменчивости пород и строении геологического разреза, в том числе для обнаружения газонасыщенных грунтов, наилучший результат дает применение многоканального НСАП в комплексе с бурением [11].
Изучение ведущих геоопасностей (землетрясений и газопроявлений) с помощью указанных методов позволило заключить следующее [12]. Для периода повторяемости
Т = 1000 лет, которому отвечает нормативная карта ОСР-97-B, получены следующие оценки исходной сейсмичности для различных участков района обустройства Киринского ГКМ: максимальная амплитуда колебаний грунта Амакс = 0,21-0,25 g, сейсмическая интенсивность по шкале MSK IMSK ~ 8,0-8,3 балла для грунта II категории, при этом верхние значения IMSK относятся к береговой зоне, а нижние - к восточному глубоководному морскому участку. Результаты выполненных расчетов показывают, что исходная сейсмичность района обустройства Киринского ГКМ для периода повторяемости Т = 1000 лет ниже, чем указывается на карте ОСР-97-В, где данный район характеризуется исходной сейсмичностью 9 баллов. Расчетная сейсмическая интенсивность на участках с неблагоприятными грунтовыми условиями достигает 8,7 балла.
К числу наиболее опасных вторичных эффектов землетрясений относятся разжижение грунтов и цунами. Исследование склонности грунтов к разжижению (по данным статического зондирования, путем динамического трехосного сжатия модельных образцов, а также с использованием метода, основанного на расчетах сейсмического потенциала разжижения) позволило заключить, что песчаные грунты в местах строительства объектов ПДК под-
№ 2 (22) / 2015
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
115
вержены разжижению. Разжижение грунтов возможно при сейсмических воздействиях с Т = 500-1000 лет и магнитудой М = 5,5-6,0. Разжижаются в основном пески мелкие рыхлые, пески средней плотности, песок пылеватый средней плотности и среднекрупный песок средней плотности. Мощность разжижаемых грунтов достигает 3-4 м. Наблюдается тенденция уменьшения мощности разжижаемого слоя по направлению к берегу [13].
Анализ исторических данных (хроник) о цунами на восточном побережье Сахалина, дополненный численным гидродинамическим моделированием распространения цунами, показал:
• цунамиопасность для участков побережья, прилегающих к району Киринского ГКМ, можно квалифицировать как умеренную. Статистические оценки говорят о возможности появления цунами с высотами, превышающими 1,2 м, раз в 50 лет, высотами > 1,6 м раз в 100 лет и высотами > 2,7 м раз в 500 лет;
• в случае реализации среднего (наиболее вероятного, ожидаемого) сценария развития цунами максимальная высота волн цунами на восточном побережье Сахалина может достигать 3 м. Учет приливных колебаний уровня, амплитуда которых в фазе сизигии может достигать 1 м, увеличивает это значение до 4 м;
• при консервативном подходе (рассматривается самый пессимистический сценарий генерации цунами землетрясениями с M = 9,0) амплитуда волн цунами на побережье северного Сахалина может достигать 10 м.
К ведущим геоопасностям следует относить также естественные газопроявления в форме метановых сипов и неконтролируемые газопроявления при проходке скважин в виде выброса флюидов при вскрытии газовых карманов с АВПД [14]. Аварии и инциденты, вызванные прорывами газа к поверхности дна, за последние 50 лет произошли в различных регионах Мирового океана, в том числе на российском шельфе Азовского, Каспийского, Восточно-Сибирского, Печорского и Черного морей. Аварии сопровождались загрязнением морской воды, атмосферы, формированием крупных антропогенных котлованов на дне моря (до 500 м в диаметре и глубиной до 100 м), гибелью людей и морских организмов.
Существует несколько вариантов сценария аварийных ситуаций на поверхности моря, связанных с выбросами флюидов при вскрытии газовых карманов [15]:
1) авария с наиболее тяжелыми последствиями для буровых гравитационных платформ: выброс газа под или вблизи платформы, образование котлована и его рост в процессе развития аварийной ситуации, нарушение остойчивости сооружения, опрокидывание платформы;
2) авария с наиболее тяжелыми последствиями для плавучих буровых установок и судов: выброс газа, образование газоводяного шлейфа, образование газовоздушного облака, пожар (взрыв), снижение/потеря плавучести плавсредств, попавших в зону выхода газоводяного шлейфа на поверхность воды, гибель плавсредств;
3) общий сценарий с наиболее тяжелыми последствиями для буровых платформ и судов: выброс газа, образование над поверхностью моря взрывоопасного газовоздушного облака, возможные его возгорание или взрыв в замкнутой зоне морских сооружений. К числу сценариев с тяжелыми гуманитарными последствиями следует отнести таковой, приводящий к выбросам токсичного газа (например, сероводорода H2S) на палубу бурового судна;
4) наиболее вероятный сценарий: выброс и падение в рабочей зоне оборудования, спущенного в скважину, бурового раствора и шлама в связи с газопроявлениями, изменение динамических характеристик гребных винтов и рулевых устройств судов, частичная потеря их плавучести.
В пределах Киринского блока геофизическими методами - НСАП и СВР (работы выполнялись ЗАО «Тихоокеанская инжиниринговая компания», г. Южно-Сахалинск) - обнаружены два основных вида поверхностных газопроявлений: локальные (сосредоточенные) выходы (газовые факелы) и площадное поступление метана из так называемых газовых труб над газоносными структурами. В районе исследований отчетливо выделяются две «газовые трубы», которые образовались в результате миграции флюидов вверх по разрезу из глубокозалегающих горизонтов. Одна из них находится на Киринской площади и прослеживается до самого дна (рисунок). Над газовой трубой сформировался бугор высотой до 1,5-2,0 м.
№ 2 (22 ) / 2015
116
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
«Газовая труба» Аномалия зоны 1
Аномалия зоны 2
Аномалия зоны 3
Сейсмопрофиль «газовой трубы» (вертикальная зона осветления записи) и газовых карманов (аномальные зоны) в центральной части Киринского ГКМ:
CDP (англ. common-depth point) - общая глубинная точка, м
К наиболее опасному для ПДК виду газопроявлений относятся так называемые газовые карманы в верхней части осадочного чехла, приуроченные к плейстоценовым и неогеновым пескам, алевролитам и слаболитифици-рованным песчаникам. Выделены три-четыре зоны локализации газовых карманов на глубинах преимущественно 100-325 м от поверхности морского дна.
Бурению скважин, особенно эксплуатационных, внутри контура нефтегазоносной залежи должны предшествовать детальные геофизические исследования с целью обнаружения зон АВПД. Предварительная оценка степени их опасности возможна на основе анализа аномальных эффектов отраженных волн. С целью идентификации и оценки степени опасности зон газонасыщения (газовых карманов) для сооружений ПДК рассматривался следующий комплекс аномальных эффектов отраженных волн:
• резкое возрастание амплитуд и уменьшение их частоты;
• изменение полярности волн (с положительной на отрицательную);
• прогибание под «яркими пятнами» границ ниже залегающих отражающих горизонтов (за счет уменьшения скорости прохождения
волн в газосодержащих грунтах). Учитывалась также глубина залегания газовых карманов с АВПД.
Как показывает практика, наиболее эффективным методом обнаружения зон газонасыщения является объемная сейсморазведка. Ее применение позволяет избежать неоднозначности при идентификации аномалий волнового поля (нередко аномалии возникают из-за литологической неоднородности разреза, а не в связи с загазованностью осадков) и, в случае обнаружения, более точно определить пространственное положение газовых карманов.
Работы по оценке геоопасностей завершаются составлением картографических моделей: инвентаризационных карт опасностей газопроявлений и/или всех обнаруженных на донной поверхности или в грунтовой толще геоопасностей в масштабах 1:5000 - 1:10000. Назначение таких карт - отображение общих закономерностей пространственного распространения геоопасностей.
По заданию заказчика дополнительно может быть составлена крупномасштабная карта районирования донной поверхности по степени геологической опасности. При ее составлении применяется метод экспертного ранжи-
№ 2 (22) / 2015
Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа
117
рования геологических опасностей. В качестве геоопасностей рассматриваются геологические процессы, специфические грунты, неровности морского дна (поднятия и впадины) и т.д., которые могут повлиять на устойчивость морских сооружений. Критериями ранжирования являются последствия (разной тяжести - аварии,
инциденты, дефекты) их воздействий на сооружения. Выделяются категории высокой, средней и низкой геоопасности. Указанным категориям соответствуют следующие таксоны зонирования морского дна по геоопасности: опасная зона, зона относительной опасности и относительно безопасная зона.
Список литературы
1. Миронюк С.Г. Опыт комплексной оценки и крупномасштабного районирования северо-восточного шельфа Черного моря по геологической опасности для строительства линейных объектов / С.Г. Миронюк,
B. В. Маркарьян, С.К. Шельтинг // Инженерные изыскания. - 2013. - № 13. - С. 46-57.
2. Миронюк С.Г. Морские инженерные изыскания и оценка опасности субаквальных геологических процессов / С. Г. Миронюк // Инженерные изыскания. - 2014. - № 4. -
C. 60-64.
3. Астафьев В.Н. Торосы и стамухи Охотского моря / В.Н. Астафьев, Г.А. Сурков,
П.А. Трусков. - СПб.: Прогресс-Погода, 1997. -197 с.
4. Белошапков А.В. Аккумулятивные формы прибрежной зоны и шельфа северо-восточного Сахалина / А.В. Белошапков, А.И. Гордин,
B. В. Ильин, В.Ф. Путов // Человечество
и береговая зона Мирового океана в ХХ1 веке. -М.: ГЕОС, 2001. - С. 126-140.
5. Кофф Г. Л. Оценка риска цунами
и сейсмического риска береговых зон Сахалинской области / Г. Л. Кофф, Б.В. Левин, Е.Н. Морозов, О.В. Барсукова. - М.; Южно-Сахалинск, 2005. - 61 с.
6. Поломошнов А.М. Исследование стамух на шельфе северного Сахалина /
А. М. Поломошнов, В. Н. Астафьев,
C. В. Землюк // Материалы 2-го Европейского симпозиума по шельфовой механике ISOPE EUROMS-99: Трубопроводы. - М., 1999. -С. 85-88.
7. Рогожин Е.А. Очерки региональной сейсмотектоники / Е.А. Рогожин. - М.:
ИФЗ РАН, 2012. - 340 с.
8. Тараканов Р.З. Сейсмичность, глубинное строение и сейсмическая опасность КурилоОхотского региона / Р.З. Тараканов: дис. ... д-ра физ.-мат. наук в форме науч. докл. -Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2006. -76 с.
9. Шакиров Р.Б. Морфотектонический контроль потоков метана в Охотском море /
Р.Б. Шакиров, А.И. Обжиров // Подводные исследования и робототехника. - 2009. -№ 1 (7). - С. 31-39.
10. Миронюк С.Г Подводные добычные комплексы - перспективное направление добычи газоконденсата на шельфе. Технология и риски / С. Г. Миронюк, О. А. Пименов,
О. А. Порядина, Н.О. Хозяинова // Газовая промышленность. - 2014. - Декабрь (№ 715). -С. 28-33.
11. Миронюк С .Г. Опыт применения геофизических методов с целью идентификации морских геологических опасностей / С.Г. Миронюк, С.М. Клещин // ГеоИнжиниринг, 2010. - № 1. - С. 48-54.
12. Миронюк С.Г. Опыт сейсмического микрорайонирования участков строительства морских трубопроводных и добычных сооружений на шельфе / С.Г. Миронюк // Газовая промышленность. - 2014. -Спецвыпуск: Промышленная безопасность
и противопожарная защита объектов газовой промышленности (№ 712). - С. 113-119.
13. Миронюк С .Г. Оценка разжижаемости грунтов на площадках строительства подводных трубопроводов и добычного комплекса
в районах северо-западного и северовосточного шельфа о. Сахалин / С.Г. Миронюк, С.В. Манжосов, В.Ю. Ионов // Инженерные изыскания. - 2011. - № 6. - С. 6-14.
14. Миронюк С.Г. Газонасыщенные морские грунты и естественные газовыделения углеводородов: закономерности распространения и опасность для инженерных сооружений / С.Г. Миронюк, В.П. Отто // Геориск. - 2014. - № 2. - С. 8-18.
15. Миронюк С.Г. Локализация приповерхностных зон скопления газа (газовых карманов
и труб) геофизическими методами и оценка их опасности для морских сооружений /
С.Г. Миронюк // ТЭК. Безопасность. - 2013. -№ 2. - С. 74-79.
№ 2 (22 ) / 2015
