Оценка геодинамических последствий разработки Бованенковского НГКМ

УДК 551.24 Ю.О. Кузьмин ИФЗ РАН, Москва А.И. Никонов ИПНиГ РАН, Москва

ОЦЕНКА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗРАБОТКИ БОВАНЕНКОВСКОГО НГКМ

Y.O. Kuzmin, A.I. Nikonov

Institute of Physics of the Earth named for O.Yu. Schmidt RAS

ESTIMATION OF GEODYNAMIC CONSEQUENCES OF DEVELOPMENT OF BOVANENKOVSKOE OIL-GAS-CONDENSATE FIELD

Deformational consequences analysis of long development of the Bovanenkovskoe oil-gas-condensate field shows large slumps of surface can run up to 0.6-0.7 m, probability of technogenic seismicity is very low, the zones of high geodynamical risk concurs with detected fault zones.

Как известно, существуют два основных типа негативных геодинамических последствий разработки месторождений нефти и газа: деформационные и сейсмические (Кузьмин, 1999; Кузьмин, Никонов, 2002).

1. Деформационные последствия разработки нефтегазовых месторождений.

Анализ обширного эмпирического материала выявил наличие двух форм деформационных последствий: обширные просадки территории всего

месторождения и аномальная активизация подвижек в зонах разломов, расположенных в пределах месторождения.

Выполненный анализ деформационных последствий длительного освоения месторождений углеводородов показал, что инструментально зарегистрированы обширные просадки земной поверхности территорий разрабатываемых месторождений, которые достигают весьма значительных величин: нефтяное месторождение Willmington (США) - 8.8 м; нефтяное месторождение Lаgunillas (Венесуэла) - 4.1 м; нефтяное месторождение Ekofisk (Норвегия) - 2.6 м; нефтяное месторождение Сураханы

(Азербайджан) - 3м; Северо-Ставропольское газовое месторождение - 0.92 м и т.д.

Наиболее опасные формы этих последствий - сильные деформации наземных сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных скважин, порывы промысловых трубопроводных систем.

Интенсивное (более 1 м), обширное проседание земной поверхности территории всего разрабатываемого месторождения нефти или газа возникает крайне редко, как правило, только при сочетании следующих условий:

л

значительная площадь разрабатываемого месторождения (порядка 100 км и

более); значительная мощность продуктивных отложений (как правило, более 100 метров); относительно небольшая глубина разрабатываемых интервалов геологического разреза (до 2000 метров); высокая пористость пород резервуара (порядка 25 - 30% и более); аномально высокое пластовое давление и его относительно быстрое снижение в процессе освоения; превалирование литостатических напряжений в пределах месторождения над тектоническими.

Это во многом понятно, если учесть, что подавляющее большинство нефтегазовых месторождений это локальные поднятия, образованные складками продольного и/или поперечного изгиба. В эти структуры «вморожены» структурообразующие тектонические усилия, стремящиеся приподнять земную толщу, расположенную над продуктивным горизонтом. В данном случае обширные просадки территории всего месторождения возможны только в том случае, когда литостатическое давление (вес), направленное вниз и силы объемного сжатия продуктивного пласта за счет падения пластового давления преодолеют тектонические напряжения, сформировавшие ловушку - поднятие.

Именно поэтому, в отличие от месторождений твердых полезных ископаемых (рудных, угольных), где основной формой негативных деформационных последствий являются обширные просадки земной поверхности территории всего месторождения, на месторождениях жидких УВ наиболее опасные деформационные процессы - это интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений в зонах разломов, возбужденные процессами разработки.

Эти аномальные подвижки высокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1 - 1 год), пространственно локализованы (0.1 - 1 км), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью. Среднегодовые скорости относительных деформаций для них чрезвычайно высоки и составляют величины порядка (5-7)^10-5 в год. Поэтому их называют суперинтенсивными деформациями (СД) земной поверхности, а разломы, в пределах которых они выявляются, определены, как «опасные» (Кузьмин, 1996; Кузьмин, Жуков, 2004; Кузьмин, 2005).

Активизация разломных зон (СД процессы) широко распространенное явление. К настоящему времени не удалось обнаружить ни одного месторождения нефти и газа, в пределах которых были проведены мониторинговые измерения деформаций, на которых отсутствовали бы суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов.

Учитывая, что эти процессы могут достигать аномально высоких деформаций, соизмеримых с порогом разрушения, за время сопоставимое с периодом эксплуатации объектов, то становятся очевидными существенное экологические и социально-экономические последствия их воздействия на объекты нефтегазового комплекса.

Известны многочисленные примеры негативных последствий активизации СД процессов на нефтяных и газовых месторождениях. Среди них:

- Нефтяное месторождения Усть-Балык (Западная Сибирь) - смятие и слом обсадных колонн добывающих скважин, порывы промысловых трубопроводных систем.

- Нефтяное месторождение Тенгиз (Казахстан) - серьезные осложнения при строительстве глубоких скважин.

- Ромашкинское нефтяное месторождение (Татарстан) - смятие обсадных колонн скважин в зонах разломов.

- Нефтяное месторождение Саматлор (Западная Сибирь) -аварийность скважин в зонах аномальной деформационной активности разломов.

- Газовое месторождение Шатлык (Туркменистан) - смятие обсадных колонн скважин и порывы промысловых трубопроводов.

2. Сейсмичность, обусловленная разработкой месторождений нефти и

газа.

Сейсмические процессы, вызванные разработкой месторождений нефти и газа подразделяются на техногенные и техногенно- индуцированные.

Техногенные землетрясения имеют небольшую интенсивность (3-4 балла по шкале Рихтера), а их очаги группируются в непосредственной близости или внутри резервуара. Эти сейсмические события к существенным социально-экономическим последствиям не приводят. Яркий пример техногенных землетрясений - газовое месторождение Лак (Франция) и нефтяное месторождение Ромашкино (Россия), на которых произошли ощутимые техногенные землетрясения.

Техногенно-индуцированные землетрясения могут достигать значительных энергий (порядка 6-7 баллов по шкале Рихтера). Глубины их очагов залегают значительно глубже разрабатываемых залежей. Эти сейсмические события могут приводить к значительным (и катастрофическим) социально-экономическим последствиям. Типичный пример подобных землетрясений это сейсмические события в Газли (Узбекистан), которые привели к обширным разрушениям инфраструктуры газопромыслов и населенных пунктов. Главная предпосылка возникновения техногенно-индуцированных землетрясений - интенсивная разработка месторождений УВ в сейсмически опасном регионе, характеризующегося интенсивностью в 7 и более баллов по шкале МСК-64.

Оценка уровня негативных геодинамических последствий разработки Бованенковского НГКМ

1.1. Оценка возможных обширных просадок территории месторождения.

В настоящее время существует несколько подходов (моделей) к расчету обширных просадок.

Расчет проседания земной поверхности при значительной пространственной изменчивости механических свойств пород, слагающих пласты-коллекторы Бованенковского газоконденсатного месторождения

(ГКМ), требует применения изощренных моделей, базирующихся на применении численных методов конечных и/или граничных элементов.

Как показывает практика, эффективность использования таких моделей невелика, т.к. они не обеспечивают достоверность и сходимость полученных результатов. Подобные расчеты основаны на ограниченном количестве экспериментальных данных о механических свойствах геологической среды: модуля Юнга, коэффициента Пуассона и коэффициентов сжимаемости пород и др., которые способны изменяться на несколько порядков в пределах одного месторождения или его элемента.

Поэтому при разработке такого сложного и гигантского по объему месторождения как Бованенковское НГКМ наиболее перспективным является оценка минимальных и максимально возможных значений оседания поверхности Земли.

Основные предпосылки для расчетов следующие. Газовая залежь приурочена к двум продуктивным пластам (сеноман и ТП 1-6), залегающим на глубинах 530-670 и 1200-1460 м, с начальными пластовыми давлениями 6,7 МПа и 14,4 МПа и эффективными толщинами 50,6 и 48,4м соответственно.

Наиболее простой, с точки зрения адекватности имеющихся исходных данных, моделью обширных просадок является модель Гиртсма, которая основана на экспериментальных данных для коэффициентов уплотнения горных пород. Это по существу бесконечный по простиранию пласт, испытывающий уплотнение пород за счет уменьшения порового пространства, обусловленного разработкой и проседание земной поверхности. Используя большой объем промысловых данных об уплотнении пород различных месторождений, получены значения минимально и максимально возможного значения коэффициента уплотнения, на основании которых получены минимальные и максимально возможные оценки обширных просадок.

В соответствии с методом Гиртсма минимальное значение осадки составит 0,26 м, а максимальное - 1,5 м.

Более реалистическая картина при оценке просадок возникает при использовании модели ограниченного деформируемого пласта (модель Кузьмина-Черныха), которая построена (Кузьмин, 1999; Черных, 2001) в предположении невесомой геологической среды, но с возможностью использования данных о коэффициентах сжимаемости пород, определенных для Бованенковского НГКМ.

Эти оценки базируются на данных о деформации пород-коллекторов Бованенковского газоконденсатного месторождения. В соответствии с этими данными в расчетах просадок земной поверхности было принято значение коэффициента сжимаемости порового объема равное 0,012 1/МПа.

С учетом изложенного выше можно считать, что максимальная величина просадок в рамках модели Кузьмина-Черныха составляет порядка 1, 2 м.

Учет веса среды, что является следующим приближением к реальности, показал, что различие в просадках для весомой и невесомой толщи пород

составляет 20% (Кузьмин, 1999), что диктует необходимость увеличения расчетной амплитуды просадок до 1.4 м.

В последние годы была построена модифицированная генетическая модель, которая учитывает тектонический фактор при формировании аномальных деформаций. Как показывают оценки, учет тектонического фактора снижают амплитуду обширных просадок практически в два раза.

В этой связи прогнозная оценка обширных просадок Бованенковского НГКМ по генетической модели составляет - 0.6 - 0.7 м.

1.2. Оценка техногенной активизации разломных зон (СД-процессов) в пределах Бованенковского НГКМ.

На основе комплексной интерпретации данных сейсморазведочных работ, геофизических исследований скважин, кернового материала, данных стратиграфических построений и структурного дешифрирования космических снимков были выделены зоны разломов (Кравцов, Никонов, 1996; Никонов, Юрова, 2005), которые проявлены в структуре фундамента, пород юрского комплекса и ландшафтной структуре земной поверхности. Данные разломы несут в себе все признаки современных суперинтенсивных деформаций со скоростями смещений в 5 -10 см в год, которые неоднократно наблюдались геодезическими методами на других месторождениях.

Из всей совокупности разломных зон на территории всего месторождения выделены 6 зон опасных разломов (каждая шириной 2 км), которые сосредоточены, в основном, в южной части месторождения и обладают максимальным геодинамическим риском.

2.1. Оценка вероятности возникновения сейсмических событий.

Согласно нормативному документу - карте «ОСР-97, С», территория Бованенковского НГКМ находится в зоне сейсмичности менее 5 баллов по шкале МСК-64. Это означает, что разработка данного месторождения не приведет к возникновению сильных (катастрофических) землетрясений техногенно-индуцированной природы. Возникновение техногенных землетрясений также маловероятно, но даже в случае их возникновения они не превысят 3-4 баллов по шкале МСК - 64.

Общие выводы.

1. Прогнозные оценки, проведенные в рамках различных сценариев развития процессов, показали, что обширные просадки земной поверхности территории Бованенковского НГКМ могут достигать величин на уровне деформаций 0.6 - 0.7 м.

2. Проведенный анализ выявил наличие нескольких зон опасных разломов на территории Бованенковского НГКМ, которые обладают повышенным геодинамическим риском, что необходимо учитывать при строительстве объектов обустройства месторождения.

3. Техногенная и техногенно-индуцированная сейсмичность на Бованенковском месторождении имеет крайне малую вероятность.

4. Уровень и масштабы возможных геодинамических последствий разработки Бованенковского НГКМ диктует крайнюю необходимость и целесообразность создания геодинамического полигона на месторождении.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кравцов, В.В., Никонов А.И. Системно-иерархическая структура полей напряжений и ее отражение на аэрокосмических снимках на примере Самотлорского месторождения (Черногорская площадь) / В.В. Кравцов, А.И. Никонов. - Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - № 8-9. - 1996. - С. 18-21.

2. Кузьмин, Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании / Ю.О. Кузьмин. - М.: АЭН, 1999. - 220 с.

3. Кузьмин, Ю.О. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород / Ю.О. Кузьмин, В.С. Жуков. - М.: МГГУ, 2004. - 262 с.

4. Кузьмин Ю.О., Никонов А.И. Геодинамический мониторинг объектов нефтегазового комплекса / Ю.О. Кузьмин, А.И. Никонов. // Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности. - М.: ГЕОС, 2002. Вып. 2. - С. 427-433.

5. Кузьмин, Ю.О. Опасные разломы и эколого-промышленная опасность нефтегазовых объектов / Ю.О. Кузьмин // Современная геодинамика недр и экологопромышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса. Материалы Международной конференции (Москва, 6-8 декабря 2005 г.). - М.: «Техинпресс», 2005. -С.102-109.

6. Никонов, А.И., Роль геодинамических процессов при разработке нефтегазовых месторождений и подземных хранилищ газа / А.И. Никонов, М.П. Юрова // Современная геодинамика недр и эколого-промышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса: материалы междунар. конф.- М.: Техинвест, 2005. - С. 125-130.

7. Черных, В.А. Гидрогеомеханика нефтегазодобычи / В.А. Черных.- М.: ВНИИГАЗ, 2001. - 277 с.

© Ю.О. Кузьмин, А.И. Никонов, 2008