CC BY
22НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОБЛЕМ И КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ ПРИ ОСВОЕНИИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В РАЙОНЕ ЯМБУРГА
УДК 622.691.4
О.Б. Арно, ООО «Газпром добыча Ямбург» (Новый Уренгой, РФ) А.К. Арабский, д.т.н., ООО «Газпром добыча Ямбург», a.arabskii@mail.ru
А.Н. Зайцев, д. физ.-мат. н., Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) (Троицк, РФ), zaitsev@izmiran.ru
Ямало-Ненецкий автономный округ сегодня, а офшоры Крайнего Севера в перспективе -основные кладовые российского природного газа, углеводородов и других ценных природных ископаемых ресурсов. Их разведка, добыча и транспортировка потребителям связаны с необходимостью решения ряда геоэкологических и техногенных проблем, гарантирующих надежность всего создаваемого добычного комплекса, который будет тяготеть к перспективным центрам экономического роста России. Данный комплекс должен в процессе развития непрерывно подтверждать соответствие современным требованиям и тенденциям в науке, технике и технологиях. Поэтому освоение нефтегазоконденсатных месторождений ЯНАО обозначено в числе первых намеченных к развитию центров экономического роста. И именно здесь уже создаются и испытываются как технические, так и социальные и природоохранные технологии освоения Российского Севера. В статье представлены пути решения ряда задач, связанных с освоением в ближайшей перспективе офшорных и береговых месторождений природного газа, расположенных в акваториях и прибрежной полосе Обской и Тазовской губ. Описана инновационная технология управления таким распространенным в условиях многолетней мерзлоты явлением, как мерзлотное пучение, в том числе гидролакколитами. Представлены базовые технические и технологические решения, включенные в Проект обустройства газоконденсатных месторождений Северо-Каменномысское и Каменномысское-море. Рассмотрены проблемы, связанные с новым, еще не изученным природным феноменом -газовыми выбросами на территории Ямало-Ненецкого автономного округа, сопровождающимися образованием крупных кратеров в многолетнемерзлых грунтах. Дается краткая оценка необходимости учета влияния космической погоды на работоспособность техники и ход технологических процессов, феномены которой особенно ярко проявляются на Крайнем Севере.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МЕСТОРОЖДЕНИЕ ГАЗА, ОФШОРНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ, ДОБЫЧНЫЙ КОМПЛЕКС, МНОГОЛЕТНЯЯ МЕРЗЛОТА, МЕРЗЛОТНОЕ ПУЧЕНИЕ ГРУНТОВ, ПОДВИЖКА ФУНДАМЕНТОВ, КРАТЕР ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ, КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА, ПРЕЦИЗИОННАЯ НАВИГАЦИЯ ПРИ БУРЕНИИ.
Жизненный цикл каждого разрабатываемого нефтегазоконденсат-ного месторождения (НГКМ), уникального по своим геологическим, геофизическим, природным и прочим характеристикам, составляет не менее 40 лет. Для удовлетворения растущей потребности в природном газе и компенсации падения добычи на старых месторождениях осуществляется их доразведка для уточнения запасов, а также последовательный ввод в эксплуатацию
новых месторождений и месторождений-сателлитов. Проекты всех вновь вводимых месторождений непременно соответствуют передовому уровню техники и технологий на момент выдачи задания на проектирование их обустройства. Эти условия, с учетом всех возможных корректировок, известны владельцу лицензионного участка и оператору по разработке [1].
Известна последовательность ввода в эксплуатацию месторож-
дений Обско-Тазовской губы и Гы-данского п-ова, сроки которого еще будут уточняться. Схема их расположения показана на рис. 1.
По планам развития ООО «Газпром добыча Ямбург» на среднесрочный период предполагается экспансия с Ямбурга на северо-восток c последовательным освоением семи офшорных месторождений: Каменномысское-море, Севе-ро-Каменномысского, Обского, Чугорьяхинского, Семаковского,
Рис. 1. Схема расположения месторождений Ямбурга, планируемых к освоению
Антипаютинского и Тота-Яхинско-го, а также находящейся на суше группы Парусовых месторождений. Схема освоения проработана достаточно подробно,чтобы использовать и развить уже имеющуюся инфраструктуру, созданную при обустройстве и эксплуатации Ям-бургского НГКМ.
Из перечисленных месторождений Каменномысское-море является наиболее крупным по запасам газа (535 млрд м3). Разработку месторождения планируется осуществлять четырьмя кустами наклонно-направленных скважин - основным (20 скважин) и тремя сателлитами (два куста по 8 скважин и один куст из 6 скважин). Схема их расположения показана на рис. 2.
Годовой уровень отбора газа принят в размере 15 млрд м3. Период постоянной добычи - 13 лет. На начальном этапе разработку месторождения планируется вести центральным кустом, совмещенным с установкой предварительной подготовки газа (УППГ), обеспечивающей транспортировку газа до береговой инфраструктуры промыслов Ямбурга.
Кусты-сателлиты скважин планируется вводить на 8-, 10- и 13-й годы разработки месторождения. Расстояние до ближайшего к платформе куста невелико, поэтому добываемый им флюид по шлейфу будет поступать непосредственно на УППГ промысла. Два других куста будут подавать добываемый флюид по шлейфу на установку комплексной подготовки газа (УКПГ), расположенную на берегу [2].
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В РАЙОНЕ ЯМБУРГА
Освоение офшорных месторождений в условиях Обско-Тазов-ской губы имеет ряд сложностей, связанных с природно-климатическими и экологическими ограничениями, прежде всего с тем, что в этом районе глубины Обской губы изменяются от 7 до 17 м.
Но самая большая проблема -мощные ледовые поля, толщина которых может достигать 2,5 м. При этом лед Обской губы - пресный, и его прочность на сжатие в 3 раза выше, чем морского льда. Суточные приливы и отливы приводят к появлению трещин и постоянным подвижкам ледовых полей даже в наиболее холодные зимние месяцы. Скорость подвижек может доходить до 5 см/с. Это приводит к образованию стамух (смерзшихся нагромождений обломков льда), которые пропахивают дно до 1,5 м в глубину.
Кроме этого освоение месторождений осложняют:
• суровый арктический климат с температурой наиболее холодной пятидневки до -47 оС;
Запасы газа сеноманской залежи - 535 млрд м3
ф Уровень отбора газа - 15 млрд м3/год ф Период постоянной добычи - 13 лет 0 Четыре куста наклонно-направленных скважин:
• основной («А», 20 скв.)
• куст «В» (8 скв.), на 8-м году разработки
• куст «С» (8 скв.), на 10-м году разработки
• куст <Л> (6 скв.), на 14-м году разработки
• короткий период навигации (три месяца: с июля по сентябрь);
• невозможность работы плавучих буровых установок и судов класса «река - море», имеющих большую осадку, а также доставки до места строительства крупнотоннажных блоков стационарных платформ гравитационного типа из-за малых глубин акватории;
• неустойчивые илистые грунты дна с толщиной отложений 13-15 м и низкой несущей способностью.
Эта совокупность природных факторов и ряд специально проведенных исследований легли в основу определения принципа освоения месторождений в акватории Обско-Тазовской губы с использованием ледостойких платформ и блок-кондукторов, устанавливаемых на
Рис. 2. Схема разработки месторождения Каменномысское-море
i
I рШВЁ
ш
ÜMj.y^.á /
jpf • •' * • л?!
\ i щшшш
Снимки проф. В. Богоявленского (Институт проблем нефти и газа РАН)
Результаты исследований ИПНГ РАН
В регионе уже обнаружено 12 кратеров
Выявлены мелкие кратеры на дне озер Ямала
Гипотезы происхождения требуют проверки
Необходима оценка риска влияния этих природных феноменов на нефтегазовый комплекс
Внешний диаметр кратера D - 37 м
Глубина кратера И - 45 м
Рис. 3. Схема расположения кратеров газовых выбросов в Южно-Карском регионе
свайные фундаменты. Также учитывалась возможность размещения части технологических объектов добычного комплекса на берегу.
Наиболее сложной задачей при таком подходе является защита платформы и блок-кондукторов от воздействия ледяных полей. Для ее решения были рассмотрены варианты применения искусственных островных сооружений, гравитационной железобетонной платформы, ледостойкой платформы на свайном основании, подводных добычных комплексов.
С учетом отсутствия в непосредственной близости каменных карьеров, слабых грунтов основания, потенциала значительного загрязнения акватории во время строительства островов и опасности воздействия стамух на оборудование выбор пал на ледостойкие платформы и блок-кондукторы.
Ко всему прочему появились и ранее неизвестные геоэкологические проблемы. В 2014-2017 гг. на полуостровах Ямале и Гыданском обнаружено 12 гигантских кратеров (воронок) газовых выбросов. Пять из них наиболее хорошо изучены с привлечением институтов РАН. Первый и наиболее известный кратер С1(рис. 3) образовался в марте 2014 г. [3].
Он имел внутренний и внешний диаметры около 25 и 37 м, а глубину от края бруствера до уровня воды 35 м и около 40-42 м до дна
(и это с учетом выпадения части породы на дно). Кратер расположен в 3,5 км от газопровода высокого давления «Бованенково - Ухта». Другой кратер, С9, обнаруженный в 2015 г., располагается всего в 1,5 км от железной дороги. Сейчас кратеры полностью заполнились водой и превратились в озера округлой формы, которых на Ямале сотни. Последний на сегодняшний день, двенадцатый кратер образовался 28 июля 2017 г. на р. Сеяха с выбросом и взрывом газа. Его фотография представлена на рис. 3 справа, вверху. Размеры этого кратера практически такие же, что и у первого, но р. Сеяха сразу же его заполнила, и все измерения производились эхолотом.
В числе указанных кратеров выявлен и кратер, располагающийся вблизи Антипаютинского месторождения, которое предстоит обустроить и эксплуатировать ООО «Газпром добыча Ямбург». Следовательно, есть риск появления такого кратера и на лицензионных участках месторождений. Естественно, возникает вопрос: возможно ли своевременное выявление и предупреждение таких явлений?
Анализ космических снимков, проведенный в Институте проблем нефти и газа РАН, однозначно показал, что один из потенциальных методов своевременного обнаружения таких явлений связан с тем, что кратеры образовались на месте бугров пучения (булгуннях, или pingo). Пример, подтверждающий потенциал такого подхода к выявлению и исследованию пока практически не изученных подобных явлений, представлен на рис. 4.
Кроме наземных кратеров на п-ове Ямал экспедиционные исследования, организованные Администрацией ЯНАО и Институтом проблем нефти и газа РАН, а также анализ космоснимков выявили более 150 озер, в мелководной части которых хорошо видны многочисленные подводные кратеры газовых выбросов - покмарки, нередко с брустверами выброшенной породы. И все это в условиях
Рис. 4. Роль космических технологий в выявлении природных феноменов
распространения многолетнемерз-лых грунтов.
Многолетняя мерзлота занимает на территории РФ гигантскую площадь. В Западной Сибири свойства грунтов в мерзлом и оттаявшем состоянии различаются радикально (в растепленном состоянии они полностью теряют несущую способность). Все лицензионные участки месторождений ООО «Газпром добыча Ямбург» располагаются именно на таких грунтах мощностью более 300 м. Их среднегодовая температура изменяется от -3 до -5 °С.
Строительство зданий и сооружений в таких условиях допускается нормативами лишь при использовании грунтов основания в мерзлом состоянии, сохраняемом в течение всего жизненного цикла возводимых и эксплуатируемых объектов.
С учетом этого и других факторов воздействия созданы модели и карты с оценкой риска разрушения зданий и сооружений, возводимых на таких территориях. В частности, рассматриваются риски, связанные с так называемым глобальным потеплением климата Земли. Как климат будет меняться в долгосрочной перспективе, пока никто точно сказать не может. Однако в пределах жизни трех поколений изменения происходят достаточно заметные, хотя и укладывающиеся в известные науке рамки, но дающие повод как для определенных размышлений и спекуляций, так и для постановки и решения вполне конкретных задач.
Это связано с тем, что период такой продолжительности является и сроком освоения большинства НГКМ. Следовательно, при проектировании, обустройстве и эксплуатации месторождений в обязательном порядке необходимо учитывать все возможные вариации климатических условий и их влияние на многолетнюю мерзлоту, газопромысловые объекты и технологии.
Наиболее опасными процессами и явлениями в криолитозоне Рос-
Диаметр около..............................................4,0 м
Высота до........................................................1,0 м
Разгрузка - самоизливом
Начальный дебит.........................................0,4-1,5 м3/ч
Криогенный напор.......................................1,0-3,1 м
Продолжительность самоизлива до.... 1 ч
Объем самоизлива сопоставим с емкостными характеристиками выделенных гидродинамических зон
Рис. 5. Локальный бугор пучения на площадке агрегата воздушного охлаждения газа I очереди дожимной компрессорной станции УКПГ-1В, вскрытый буровым станком
сии, способными привести к возникновению серьезных аварийных ситуаций, считаются пучение и осадка свайных фундаментов, образование бугров пучения с деформирующим воздействием на инженерные сооружения. Основным условием пучения грунтов служит превышение общего объема замерзшей и незамерзшей воды, аккумулированной в массиве промерзшего грунта. Пучение грунта не будет наблюдаться, если объем свободных от воды пор будет равен или превысит приращение объема замерзшей воды.
Такой процесс образования бугров пучения в корне отличается от путей образования газовых кратеров, который пока недостаточно изучен и существует лишь в виде достаточно противоречивых гипотез.
Бугры пучения и деформации свайных фундаментов различной амплитуды фиксируются после таяния снежного покрова на многих площадках Ямбургского месторождения. Яркий пример - неоднократное появление бугров пучения в районе агрегатов воздушного охлаждения (АВО) газа I очереди дожимной компрессорной станции УКПГ-1В. В 2009 г. бугор пучения, показанный на рис. 5, кровельной частью упирался в коллектор АВО газа DN1000 высокого давления и мог стать причиной возникновения серьезной аварийной ситуации [4].
Деформирующие нагрузки были ликвидированы благодаря своевременному бурению разгрузочных
скважин в сводовой и присво-довой частях образовавшегося гидролакколита. При вскрытии вершинной части бугра наблюдалось интенсивное фонтанирование вод напорного надмерзлотного горизонта. При оттаивании се-зонно-мерзлого слоя в летний период поверхность бугра пучения нивелировалась процессами оседания, принимая начальное (горизонтальное) положение.
Обобщая потенциальные воздействия негативных инженерно-геологических процессов и явлений на объекты Ямбурга с учетом ряда объективных факторов, можно перечислить основные риски их проявления, в числе которых:
• пучение и осадка свайных фундаментов сооружений, часто с отрывом сварных соединений ригелей;
• повышение геотемпературного поля оснований;
• понижение кровли многолетней мерзлоты;
• потеря устойчивости свайных фундаментов;
• деформация свайных фундаментов;
• прямое воздействие бугров пучения на здания и сооружения и т. д.
Следствием воздействия перечисленных факторов являются риски возникновения аварийных ситуаций на трубопроводах, аппаратах и агрегатах, находящихся под высоким давлением.
Для исключения развития такой ситуации Лаборатория мерзлоты
Инженерно-технического центра (ИТЦ) осуществляет регулярные режимные измерения температур грунтов и других параметров. Маркшейдерская служба контролирует вертикальные и горизонтальные подвижки свайных фундаментов. Все это является основой для построения карт мощностей сезонно-мерзлого (сезонно-талого) слоя и ежегодных геотемпературных срезов по фактическим результатам геотехнического мониторинга. Строятся карты пространственной визуализации параметров верха криолитозоны, позволяющие спрогнозировать развитие криогенного пучения, а значит, и своевременно устранить криогенные напоры в гидродинамической системе.
Опираясь на результаты всех экспериментальных исследований, специалисты ИТЦ Общества для разгрузки надмерзлотного водоносного горизонта разработали достаточно простую и эффективную инновационную технологию с применением гидрогеологических разгрузочных трубок,устанавливаемых в летний период в существующие гидрогеологические колодцы [5].
В зимние периоды разгрузка потенциальных бугров пучения осуще-
ствлялась путем вскрытия гидрогеологических разгрузочных трубок (в заданный момент снимается верхняя пробка трубки и выбивается ее нижняя пробка, находящаяся в горизонте ниже глубины промерзания). Экспериментальные работы ведутся с 2010 г., с середины и до конца каждого зимнего периода. После таяния снежного покрова проводится плановое обследование оснований и фундаментов зданий и сооружений. В настоящее время отсутствуют какие-либо признаки криогенного пучения грунтов. Не зафиксированы новые деформации свайных фундаментов, отсутствуют приращения деформаций, наблюдавшихся до 2010 г. Эффективность метода сразу же потребовала проектирования и возведения дополнительных гидрогеологических колодцев.
Более того, по данным режимных геотемпературных наблюдений, с 2010 г. зафиксирована динамика понижения средней температуры многолетней мерзлоты, а это говорит о техногенной стабилизации геотехнической системы. И этому есть достаточно простое физическое объяснение.Удаление определенных объемов незамерз-шей воды при разгрузке надмерз-
рансформаторы и регулирующие устройства испытывают перегрузку
Сила токов на высоте 100 км в слое Е-ионосферы достигает 1 млн А
? / Т~1 ! Т7 :
■ ■ / Магнитное поле электрода индуцирует
у ф''' ^
индуцирует • потенциал земной поверхности
Ток, индуцирс поступает в энергетическую систему через Напряженность электрического поля
Напряженность электричес поверхности до 6 В/км вызь
В прибрежных зонах наблюдается резкий перепад электропроводимости, обусловленный различной проводимостью морской воды и прибрежных отложе
Максимальный эффект
■ ■.■,■,.-.■■.■..:.;: 31С - геомагнитно-индуцированные токи меняют знак
в системе катодной защиты трубопроводов
Рис. 6. Схема проявления основного эффекта магнитных возмущений -геомагнитно-индуцированных токов
лотного водоносного горизонта сопровождается удалением из него тепла, которое выделилось бы при замерзании этой воды.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ И ПРЕЦИОЗНОЙ НАВИГАЦИИ С ПОМОЩЬЮ КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Космическую погоду определяют активность Солнца и посылаемый им в сторону Земли ветер. Наиболее ярко все связанные с этим эффекты, схематично представленные на рис. 6 [6], проявляются в зоне полярных сияний (в авроральном овале).
При этом максимум таких эффектов в ЯНАО приходится как раз на северную часть Ямала и Гы-дана. Индуцируемый при этом в ионосфере ток достигает 1 млн А!Это и потенциальные сбои в работе автоматики, и нарушение радиосвязи, и проблемы с линиями электропередач. Пример тому - известные катастрофы электроснабжения в Нью-Йорке и Торонто. А такие эффекты необходимо предупреждать, поскольку они теперь вполне предсказуемы благодаря современным космическим технологиям наблюдения за активностью Солнца. Так что контроль космической погоды приносит немалую пользу.
Рассмотрим еще одну проблему - прецизионной навигации при наклонно-направленном бурении стволов скважин на Крайнем Севере, когда необходимо попасть в заданную точку с высокой точностью. Инерционные системы навигации, используемые российскими буровыми компаниями, здесь не очень эффективны - слишком грубые (хотя при освоении крупных месторождений и месторождений-гигантов этой точности, как правило, хватает). Поэтому в мире сейчас при наклонно-направленном бурении ориентируются по магнитному полю Земли, а оно, особенно на Севере, все время меняется, реагируя на космическую погоду. Следовательно, нужно
Рис. 7. Контроль космической погоды - необходимое условие прецизионной навигации при наклонно-направленном бурении
Сколько магнитно-вариацион-ныхстанций в Норвегии -и сколько станций у нас
? Selected Station i Avenadle Station (Data Present) V Available Station (No Data Pres j Station Info j 1 StUcttmlon] I S*l*c< r«qkin~] | Srtwt jI [ j Cl*ir»ll |
Я
гмя
Вблизи каждой платформы -свой магнитометр, а на Ямале сейчас всего 3 магнитометра
Мечта ученых-полярников - возродить сеть станций наблюдения вариаций магнитного поля Земли на Ямале -контроль космической погоды!
V.
■ 1 л.. ,•; • &Í
, телеметрическая
Навигацию прецизионного наклонно-направленного бурения без магнитометров и соответствующей аппаратуры
""г--''
уметь учитывать эти изменения, что делают, например, в Норвегии, где вблизи каждой морской добывающей платформы стоит магнитометр, тогда как на весь ЯНАО - лишь три магнитометра (рис. 7).
При освоении средних и более мелких месторождений у буровых компаний России также возникнут проблемы повышения точности направленного бурения, т. е. пона-
добится навигационная аппаратура следующего поколения. Возникнет дилемма: покупать ее у западных фирм в условиях санкций или разработать российскую альтернативу, превосходящую западный аналог. Мастерские ряда институтов РАН могут в небольших количествах производить такую аппаратуру, и все необходимое для этого у них уже есть. Нужно лишь вовремя организовать эту работу.
Существуют также проблемы миграции газа по заколонному пространству стволов скважин и по слоям многолетней мерзлоты - эта одна из очень серьезных задач, которая не имеет однозначного решения и требует проведения специальных исследований с привлечением институтов РАН, как изучающих геологию, так и связанных с космическими технологиями [7, 8]. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Арно О.Б. Инновационные решения - ключ к освоению заполярных месторождений Ямбурга // Промышленная политика в Российской Федерации. 2016. № 10-12. С. 8-15.
2. Арно О.Б. Технико-технологические решения и инновации на разных стадиях жизненного цикла месторождений Ямбурга // Науч. журнал Российского газового общества. 2015. № 2-3. С. 7-14.
3. Bogoyavlensky V. Gas Blowouts on the Yamal and Gydan Peninsulas [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.geoexpro.com/articles/2015/12/ gas-blowouts-on-the-yamal-and-gydan-peninsulas (дата обращения: 17.11.2017).
4. Арабский А.К., Арно О.Б., Балтабаев Ш.Г. и др. Технология управления рисками аварийных ситуаций на объектах добычи и транспорта газа Ямбургского НГКМ, связанных с воздействием сил морозного пучения на свайные фундаменты // Проблемы анализа риска. 2017. Т. 14. № 2. С. 84-91.
5. Способ снижения воздействия сил морозного пучения и повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне: пат. RU 2602538 C1: МПК E02 D27/35 (2006.01) / Арно О.Б., Арабский А.К., Балтабаев Ш.Г. и др.; патентообладатель ООО «Газпром добыча Ямбург»; № 2015137662/03; заявл. 03.09.2015; опубл. 20.11.2016, Бюл. № 32.
6. Салихов З.С., Арабский А.К., Кузнецов В.Д. и др. Система контроля космической погоды для оценки технологических рисков на территории полуострова Ямал // Наука и техника в газовой промышленности. 2010. № 4. С. 39-47.
7. Богоявленский В.И., Перекалин С.О., Бойчук В.М. и др. Катастрофа на Кумжинском газоконденсатном месторождении: причины, результаты, пути устранения последствий // Арктика: экология и экономика. 2017. № 1 (25). С. 32-46.
8. Аветов Н.Р., Краснова Е.А., Якушев В.С. Некоторые особенности приустьевых газопроявлений из интервала криолитозоны на территории Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения // Газовая промышленность. 2017. № 8. С. 44-47.
