CC BY
137
УДК 551.2
СЕЙСМИЧНОСТЬ И ТЕХНИЧЕСКИЕ АВАРИИ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЧЕЧЕНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
© И.А. Керимов, М.Я. Гайсумов, Р.С. Ахматханов
Ключевые слова: аварии; смятие буровых колонн; землетрясение.
Приведен анализ связи сейсмичности с возникновением аварийных ситуаций на объектах добычи и транспортировки нефти и газа.
Терско-Сунженская нефтегазоносная область, относящаяся к центральной части ТКП, является регионом с высокой современной геодинамической активностью. За более чем столетнюю историю эксплуатации в данном районе пробурено более 15 тыс. скважин различного назначения. В то же время зафиксировано (только официально) около 3 тыс. случаев повреждений обсадных колонн скважин, из которых порядка 500 аварий явились причиной ликвидации скважин преимущественно по причине смятия и среза обсадных колонн.
Изучение взаимосвязей геодинамических процессов с возникновением аварийных ситуаций на нефтегазодобывающих и продуктопроводных объектах может служить основой разработки критериев для прогноза экстремальных аварийных ситуаций и своевременного их предупреждения.
Примеры нарушений технического состояния нефтегазовых объектов достаточно широко опубликованы в научно-технической литературе [1-12].
В частности, на примере нефтегазовых трубопроводных систем установлено, что порывы трубопроводов происходят независимо от географического положения, уровня сейсмичности территории, качества труб и срока их эксплуатации. При этом авторы обращают внимание на следующие факты:
1) повторное возникновение случаев порывов трубопроводов в пределах одних и тех же локальных зон с периодичностью в 2-3 года, 5-6, 11-13 лет;
2) массовая аварийность в пределах локальных участков, когда почти одновременно рвутся разные нитки трубопроводов, порой лежащие на расстоянии друг от друга на десятки, сотни метров [4].
В мировой практике известны случаи смятия обсадных колонн и другие аварии, связанные с аномальной геодинамической активностью.
Так, в районе нефтяного месторождения Уилмингтон (США) после землетрясения 1947 г. было повреждено более 100 скважин на глубинах 470-520 м, затем в 1949 г. - 95 скважин и в 1951 г. - 107 скважин. Все повреждения отмечались вдоль трех основных плоскостей, по которым происходил горизонтальный сдвиг пород. В результате этого обсадные колонны были срезаны, смяты (сплющены) или согнуты [1].
По данным Oil&Gas Journal, количество аварийных ситуаций на платформах, сооружениях для добычи и хранения нефтеуглеводородов, скважинах, трубопроводах и др. составляет около 3 тыс. случаев, а экономический ущерб превысил 34 млрд долл.
Анализ влияния различных факторов на возникновение аварийных ситуаций на морских нефтегазоразра-ботках в Европе показывает, что наибольшее число аварий произошло по причине потери устойчивости, повреждений и разрушений конструкций (36 %), тяжелых погодных условий (7 %), удара (5 %) и других факторов. При этом отмечается, что фактически по каждой пятой и более аварийной ситуации причина неизвестна (22 %) [8].
За 1989-1996 гг. произошло 12 аварий в районе г. Краснотурьинска на участке шестиниточной системы газопроводов Уренгой-Петровск, Уренгой-Ново-
псковск, Уренгой-Ужгород, Уренгой-Центр-1, Урен-гой-Центр-2, Ямбург-Елец-1.
За 1992-1998 гг. произошло 5 аварий в Ростовской области: два порыва нефтепровода Лисичанск-Тихо-рецк (1993 и 1998 гг.), два порыва продуктопровода под Ростовом (1993 и 1997 гг.) и один - газопровода вблизи газораспределительной станции г. Азов (1997 г.) [1].
В Самарской области практически вся аварийность сосредоточена в пределах одного локального участка, совпадающего с активной зоной глубинного разлома, при этом порывы нефтегазопроводов происходят с 23-летней периодичностью.
Одна из первых публикаций по данной проблеме была посвящена сейсмотектоническим причинам смятия обсадных колонн глубоких скважин Терско-Сун-женской нефтегазоносной области [1]. При бурении скважин нередко происходило смятие технических и эксплуатационных обсадных колонн на глубинах от 700 до 4000 м. Анализ промыслового материала позволил авторам сделать вывод, что на площадях Терско-Сунженской области сразу после землетрясений различной силы массовых и даже единичных нарушений обсадных колонн как в бурящихся, так и в добывающих скважинах не наблюдалось. Однако прослеживается закономерность увеличения числа смятий Мсм с частотой землетрясений в определенные годы (рис. 1).
/
'
4 і \ \
1
1 і
1 1 і і 1 1 \ \
\і і і к"2
і
' 1 і к
А і \
м 1 і \
і \ и
/Л і і
/ м V ^.
р V 1 У * N і Ж К
и*
1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980
Годы
Рис. 1. Сейсмотектонические причины смятия обсадных колонн [1]: 1 - число смятий обсадных колонн; 2 - число толчков при землетрясениях
Анализ более 100 смятий обсадных колонн на площадях ПО «Грознефть» (период 1958-1980 гг.) показал, что их причинами являются:
1) неравномерная нагрузка на обсадные трубы в интервалах глин верхнего Майкопа, склонных к пластическому течению;
2) снижение внутреннего противодавления в обсадных колоннах ниже расчетных значений вследствие падения пластового давления в отложениях верхнего мела, поглощений, нефтегазоводопроявлений;
3) износ внутренней поверхности труб;
4) некачественное цементирование из-за сложности геологических условий и многоколонной конструкции (пять-шесть колонн) с малыми зазорами и незначительными резервами ее упрощения [1].
Установлено, что 45 смятий произошли на коротких участках (0,5-1,5 м) по первой причине. Для этой группы скважин определен закон распределения частоты смятия, которая подчиняется закону Вейбулла, в зависимости от расстояния от кровли верхнемайкопских отложений до смятого участка.
Из закона распределения следует, что большее число смятий на коротком участке произошло на всех площадях в одних и тех же интервалах (в переходной зоне от чокракских к верхнемайкопским отложениям и ниже этой зоны по всей толщине, равной 40 % общей мощности верхнемайкопских отложений). Выявлено, что уже в процессе бурения скважин в указанных интервалах возникали осложнения в виде сужений, затяжек, посадок бурильных труб, причем сужение ствола скважины отмечалось только в определенных местах.
Майкопским глинам свойственны различные природные особенности, наиболее важными с точки зрения нагрузки на обсадные колонны являются те, которые понижают устойчивость глин вследствие наруше-
ния их монолитности. К ним относятся трещиноватость, перемятость, наличие тектонических разрывов, расслаивание, пластичность и текучесть, склонность к оползням и обвалам. Как показал анализ, эти особенности наблюдаются в переходной зоне от чокракских к майкопским отложениям, т. е. в зоне, где отмечено смятие на коротком участке от наружной нагрузки, создаваемой глинами при их пластическом течении.
Таким образом, на частоту смятия обсадных колонн влияют не только технические (прочность труб, цементирование, износ и др.), но и геологические факторы. Из них первые изучены более детально, чем вторые, а менее детально - наличие и закономерности образования зон активных тектонических разрывов, современные колебательные движения земной поверхности и наличие сейсмоактивных зон.
Сдвижение горных пород, осыпи, обвалы пород, нарушение крепи связаны с пересечением тектонических разрывов как в процессе проходки, так и при последующей эксплуатации горных выработок. При этом важную роль, по-видимому, играют современные колебательные движения земной поверхности. Наиболее крупные в данном регионе месторождения нефти приурочены к наиболее активным звеньям региональных пограничных зон, выделенных по результатам повторного нивелирования. В этих зонах отмечается наибольшее число смятий обсадных колонн. Хотя не отмечено ни одного случая смятия обсадных колонн при бурении сразу после землетрясений, авторы считают, что косвенно данные процессы взаимосвязаны. Очевидно, после землетрясений возможно появление новых тектонических разрывов и трещин или повышение активности уже имеющихся. При этом возможно явление крипа, т. е. медленных вязкопластичных, горизонтальных движений пластичных глин в зоне разрывного
нарушения, которому способствует повышение температуры, которые при наличии воды вызывают набухание и усадку глин. Вода, в свою очередь, может попасть в зону тектонических разрывов в результате неф-тегазоводопроявлений в затрубном пространстве после спуска обсадной колонны, а также вследствие некачественного цементирования [1].
Очевидно, что еще при заложении и проектировании скважин необходимо знать особенности современного тектонического и сейсмического режима зоны бурения. Для изучения закономерностей, связывающих частоту смятий обсадных колонн с землетрясениями, нужно проводить специальные наземные и скважинные геофизические исследования, проанализировать их результаты в комплексе с данными о фактических условиях проводки глубоких скважин и авариях, происходящих с обсадными колоннами.
Корреляция резкого искривления стволов скважин с землетрясениями является одним из наиболее ярких проявлений современной геодинамики региона. Примеры искривления стволов скважин в связи с землетрясениями приведены в работе Н.А. Касьяновой [3]. По инклинометрическим данным непосредственно перед Черногорским землетрясением (28.07.1976 г., с М = 6,3) при бурении ряда скважин было зафиксировано резкое увеличение отклонения стволов скважин от вертикальной оси на многих площадях, расположенных вблизи эпицентральной зоны (рис. 2).
Характерно, что процесс искривления стволов скважин в связи с землетрясением не являлся одновременным для всех площадей. Наблюдалось перемещение этого процесса с юга на север поочередно от одной площади к другой. При этом отмечалось уменьшение степени искривления стволов скважин по мере удале-
ния этих площадей от эпицентра землетрясения. Кроме того, прослеживалась различная степень искривления стволов в зависимости от расположения скважин в пределах самой структуры. Наибольшее отклонение от вертикали наблюдалось у скважин, приуроченных к зоне разрывных нарушений субширотного простирания.
На проходку скважин оказывают влияние также и удаленные сильные землетрясения. Так, отмечено усиление искривления ствола скв. № 253 Октябрьской площади спустя 2,5 месяца после Буйнакского землетрясения силой 8 баллов, эпицентр которого находился на расстоянии 95 км от указанной площади [3].
Любое перераспределение тектонического напряжения в земной коре сопровождается изменениями прочностных свойств горных пород, что приводит к увеличению (или, наоборот, к «залечиванию») в них трещиноватости. Если в направлении действия деформационных напряжений встречается зона разрывных нарушений, происходит ее тектоническая активизация. В зависимости от вектора латеральной миграции тектонического напряжения происходит активизация глубинных разломов соответствующей ориентировки. При этом деформационные процессы происходят по всему разрезу горного массива. Аномальные деформации стволов вертикально направленных скважин могут являться своего рода индикатором геодинамических процессов [3].
Несмотря на то, что вопросам изучения влияния современного напряженно-деформированного состояния земных недр на прохождение по стволу и устойчивость обсадных колонн нефтегазовых скважин посвящен ряд публикаций [1-5], в которых авторы предполагают тектоническую природу большинства случаев
Рис. 2. Искривление стволов скважин в связи с землетрясениями [3] 1028
Рис. 3. Число аварий нефтяных скважин и сейсмичность региона
аномальных деформаций стволов скважин (резкого искривления, слома, слома со смещением, смятия) на месторождениях, расположенных в пределах сейсмо-опасных территорий, эта проблема для исследуемого региона требует дополнительных исследований.
Анализ временного графика числа землетрясений и количества аварий (рис. 3) показывает, что отмечается корреляция между количеством землетрясений и числом аварий, в то же время число аварий в общем случае не зависит от количества выделявшейся в результате землетрясений энергии.
Таким образом, исходя из вышеизложенного, следует: а) существует воздействие активных тектонических нарушений на объекты добычи и транспортировки нефти и газа; б) с целью минимизации экономических затрат при ликвидации аварий, при проектировании и эксплуатации необходимо проводить геодинамический анализ местоположения объектов нефтедобычи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бозырев Ю.С., Смирнова М.Н., Малышева В.В. О сейсмотектонических причинах смятия обсадных колонн // Нефтяное хозяйство. 1984. № 11. С. 17-20.
2. Касьянова Н.А. Результаты изучения современной геодинамики Терско-Сунженской нефтегазоносной зоны по данным деформи-рованности стволов скважин // Общая и региональная геология морей и океанов, геол. картирование. Экспресс-информация. М.: Геоинформмарк, 1994. Вып. 5. С. 1-8.
3. Касьянова Н.А. Экологические риски и геодинамика. М.: Научный мир, 2003. 332 с.
4. Касьянова Н.А., Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса (научные основы, практические приложения и методы учета ано-
мальных геодинамических проявлений). М.: Геоинформмарк, 1995. 54 с.
5. Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Локальные разломы земной коры - фактор природного риска. М.: Академия горных наук, 2002. 239 с.
6. Мельников Н.Н., Калашник А.И., Калашник Н.А. Техногенные геодинамические процессы при освоении нефтегазовых месторождений шельфа Баренцева моря // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12. № 4. С. 601-608.
7. Смирнова М.Н. Возбужденные землетрясения в связи с разработкой нефтяных месторождений (на примере Старогрозненского землетрясения) // Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. М.: Наука, 1977. С. 128-141.
8. Кайзер М.Дж., Пулцифер А.Г. Риски и потери при морской добыче // Oil&Gas Journal. 2007. № 6 (9), С. 96-105.
9. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б. Техногенные процессы в земной коре (опасности и катастрофы). М.: ИНЭК, 2005. 252 с.
10. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамиче-ского риска при недропользовании. М.: АЭН, 1999. 220 с.
11. Смирнова М.Н., Керимов И.А., Гайсумов М.Я. Проблемы возбужденной сейсмичности. Деп. в ВИНИТИ № 1067-В92 от 30.03.92. М., 1992. 19 с.
12. Калашник А.И., Мельников Н.Н. Геодинамические аспекты освоения нефтегазовых месторождений западного сектора Российской Арктики // Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика: электронный научный журнал. 2010. Вып. 2 (2). № ФС77-36038.
Поступила в редакцию 21 марта 2012 г.
Kerimov I.A., Gaisumov M.Ya., Akhmatkhanov R.S. SEISMICITY AND TECHNICAL ACCIDENTS IN OIL INDUSTRY OBJECTS OF THE CHECHNYA REPUBLIC
An analysis of the relationship of seismicity with the occurrence of accidents at the sites of production and the transportation of oil and gas is given.
Key words: accidents; drill string collapse; earthquake.
