О наведенной сейсмичности на шельфе острова Сахалин вблизи Пильтун-Астохского нефтегазоконденсатного месторождения

Вестник ДВО РАН. 2010. № 3

УДК 550.34 И.Н.ТИХОНОВ

О наведенной сейсмичности на шельфе острова Сахалин вблизи Пильтун-Астохского нефтегазоконденсатного месторождения

Доказывается, что наведенная сейсмичность на северо-восточном шельфе о-ва Сахалин спровоцирована 10-летней разработкой Пильтун-Астохского нефтегазоконденсатного месторождения. Отмечена необходимость оперативного сейсмического мониторинга в данном районе.

Ключевые слова: землетрясение, зона возможных очагов землетрясений, повторяемость землетрясений, нефтегазоконденсатное месторождение, наведенная сейсмичность, сейсмический мониторинг.

Induced seismicity in the vicinity of Piltun-Astokh gas and oil field on Sakhalin Island shelf. I.N.TIKHONOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Induced seismic activity on the North-Eastern shelf of Sakhalin Island is proved to be caused by 10-year long development of Piltun-Astokh gas and oil field. The necessity of an adequate real-time seismic monitoring in this area is emphasized.

Key words: earthquake, zone of possible earthquake sources, earthquake recurrence, gas and oil field, induced seismicity, seismic monitoring.

На северо-восточном шельфе о-ва Сахалин открыты крупные месторождения углеводородов: Одопту-море, Пильтун-Астохское, Чайво, Аркутун-Даги и Лунское (рис. 1). В настоящее время они обустраиваются либо находятся в стадии разработки. Дольше других (с июля 1999 г.) осваивается Пильтун-Астохское нефтегазоконденсатное месторождение, чьи извлекаемые запасы составляют около 109 млн т. В рамках проекта «Сахалин-2» в феврале 2009 г. начато поэтапное освоение уникального Лунского газоконденсатного месторождения, запасы которого оцениваются в 500 млрд м3 газа.

Промышленная добыча углеводородов ведется в районе, характеризующемся высокой сейсмической активностью. На картах общего сейсмического районирования ОСР-97 данная территория отнесена к 9-балльной зоне интенсивности сотрясений по шкале MSK-64 для карты А, используемой при возведении объектов массовой застройки, и к 9-10-балльной - для карт В (ответственных сооружений) и С (особо ответственных сооружений). С учетом этого на нефтегазовом шельфе Сахалина возможны негативные последствия разработок месторождений, обусловленные нарушением природного механического равновесия как в зоне залежи, так и в окружающей геофизической среде. Одним из таких последствий является возникновение наведенной сейсмичности [1, 3-5, 10, 11]. Она может быть двух видов: индуцированной [1], или, по другой терминологии, возбужденной [4, 5], либо триггерной [1] (инициированной [4, 5]). В первом случае техногенные воздействия порождают слабые (с магнитудами не более 2,5-3,5) землетрясения в осадочном чехле или в самой залежи, а также умеренные (М = 4,0-5,0) толчки в зоне контакта между породами осадочного чехла и кристаллического фундамента. Во втором случае воздействие на среду

ТИХОНОВ Иван Николаевич - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). E-mail: tikhonov@imgg.ru

становится «последней каплей» в накоплении естественных тектонических напряжений, приводящей к землетрясению с максимально возможной для данного района магнитудой. Именно этот вид сейсмичности представляет серьезную угрозу при разработке месторождения.

Данная статья содержит факты, свидетельствующие о возникновении наведенной сейсмичности, по-видимому, второго вида, и обоснование, что она спровоцирована 10-летней разработкой Пильтун-Астохского месторождения.

Эти факты опровергают заключение зарубежных специалистов компании «EQE International Inc.» (1998 г.1), что магнитуда землетрясений, связанных с освоением нефтегазовых месторождений, не должна превысить значения М = 4,5 и что они не будут представлять опасности для добывающих платформ. Следствием этой ошибочной точки зрения стал отказ от проведения оперативного сейсмологического мониторинга на северо-восточном шельфе о-ва Сахалин.

Мировой опыт изучения сейсмичности, связанной с освоением месторождений углеводородов, показывает, что она появляется в среднем через 10-20 лет после начала их разработки, а наиболее сильные землетрясения происходят еще позже - через 20-30 лет [1], пример проявления индуцированной сейсмичности -на газовом месторождении Лак в южной Франции [11], триггерной - сильные землетрясения на нефтяном месторождении Уилмингтон в Калифорнии [7] и газовом (Газли) в Средней Азии [3]. Эти события произошли через 12 и 14 лет после начала разработки упомянутых месторождений, привели к значительным разрушениям и повлекли огромный экономический и экологический ущерб. Есть и другие примеры сейсмических катастроф, спровоцированных инженерной деятельностью человека [1, 4, 5].

Естественная сейсмичность северо-восточной части Сахалина распределена весьма неоднородно (рис. 1). С учетом имеющихся данных о ее проявлениях сейсмологи ИМГиГ ДВО РАН выявили зоны возможных очагов землетрясений (рис. 2) в рамках линеамент-но-доменной модели ИМГиГ-07 [2]. Всего в пределах Сахалинского региона выделено 19 площадных зон. Сейсмические линеаменты ассоциируются с крупными разломами и определяют наиболее вероятное положение очагов будущих сильных (M > 6,0) землетрясений, а домены - с площадными зонами, в пределах которых распределение землетрясений с M < 6,0 диффузно.

1 Draft: Investigation of the potential for production-induced earthquakes in the Sakhalin oil fields. March 1998. Prepared by: EQE Int., Inc. EQE Project Number: 745031.01. 1998. 83 p.

H£~ HJ 144 145

IL-lft 1.9-IM iMl 4Л-М P-* *.«9 П-4Й

Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений с М > 4,0 в северо-восточной части Сахалинского региона за 1930-1999 гг. (кружки) и положение крупных морских месторождений углеводородов (серые области). Указано фактическое наличие буровых платформ

На севере острова наиболее активен домен Б17, содержащий Пильтун-ский и Верхне-Пильтунский разломы.

В пределах последнего произошло разрушительное Нефтегорское землетрясение 1995 г. (М = 7,2). Его эпицентр находился на суше примерно в 30 км от контура Пильтун-Астохского месторождения. Несмотря на такую близость данная залежь располагается в пределах другого, менее активного домена Б18.

Этот домен содержит линеамент Ь18 (рис. 2), южный конец которого располагается вблизи северной части контура Пильтун-Астохского месторождения.

Рассмотрим характеристики сейсмического режима в пределах домена Б18 до и во время разработки месторождения. Наиболее наглядное представление о них дают графики повторяемости

землетрясений. Эмпирический график Рис: 2 Конфиг^ц™ з°Н водных °чаг°в землетрясе-

нии (ВОЗ) северной части Сахалинского региона (линеа-повторяемости в кумулятивн°м виде ментно-доменная модель ИМГиГ-07) согласно [2]

строится путем аппроксимации данных

в интервале магнитуд М . < М < М с помощью уравнения Гуттенберга-Рихтера:

^(М) = а + ЬМ, ШШ ШЗХ

где М(М) - кумулятивное число событий с магнитудой > М, а и Ь - коэффициенты графиков повторяемости, определяемые по эмпирическим данным методом наименьших квадратов.

При линейной аппроксимации график повторяемости характеризуется тремя параметрами сейсмического режима: сейсмической активностью (а), коэффициентом наклона графика (Ь), определяющим соотношением между числом землетрясений малых и больших магнитуд, и магнитудой максимального наблюденного землетрясения (М ). Повторяемость землетрясений оценивается, как правило, по каталогу землетрясений, «очищенному» от афтершоков, т.е. по относительно независимым сейсмическим событиям.

В качестве исходных данных использовался региональный каталог сахалинских землетрясений с М > 3,0 за период 1905-сентябрь 2005 г. [6], дополненный до конца 2009 г. данными оперативного каталога Сахалинского филиала Геофизической службы РАН (СФ ГС РАН). Декластеризация сводного каталога (3761 событие) осуществлялась с помощью компьютерной программы [12]. Далее из основного (без афтершоков) каталога, содержащего 2763 события, были выбраны землетрясения, относящиеся к домену Б18. Оказалось, что выборки из исходного и декластеризованного каталогов совпадают за исключением одного случая (123 и 122 события, соответственно). Таким образом, параметры графика повторяемости в пределах домена Б18 за один период наблюдений практически одинаковы для обеих выборок.

Используя выборку из каталога основных толчков, оценим значения параметров Ь и Мшах за два периода наблюдений: до начала добычи углеводородов (1942-1999 гг.) и общий, включающий время эксплуатации залежи (1942-2009 гг.). Расчеты показывают, что эти параметры изменились после 10-летней разработки Пильтун-Астохского месторождения (рис. 3). Так, максимальная магнитуда увеличилась с Мшах1 = 5,0 до Мшах2 = 5,7, а угол наклона кумулятивного графика повторяемости уменьшился с Ь1 = -0,99 ± 0,05 до Ь2 = -0,85 ± 0,02 за счет возрастания доли событий больших магнитуд. Что особенно

Рис. 3. Кумулятивные графики повторяемости землетрясений с М > 3,0 и h < 33 км в пределах домена D18 до начала добычи углеводородов на Пильтун-Астох-ском месторождении

Рис. 4. Карта эпицентров землетрясений с М > 4,0 северо-восточной части Сахалинского региона за 2000-август 2009 г. Звездочки - эпицентры толчков в 20052009 гг. Остальные обозначения см. в подписи к рис. 1

важно - активизация сейсмичности, как будет видно далее, произошла именно вблизи контура месторождения.

До начала освоения залежи область в радиусе 25 км от морской нефтедобывающей платформы «Моликпак» имела низкий уровень фоновой сейсмичности. За весь период инструментальных сейсмологических наблюдений с 1930 г. до начала разработки месторождения региональной сетью СФ ГС РАН здесь не было зарегистрировано землетрясений с М > 5,0 (рис. 1). За 10 лет, с момента начала добычи в 1999 г., сейсмический режим здесь претерпел кардинальные изменения. Сейчас он вызывает серьезные опасения, поскольку за последние 5 лет в районе платформы произошли 5 достаточно сильных землетрясений (рис. 4): 12 июня (М = 5,7, к = 14 км) и 5 сентября (М = 4,7, к = 10 км) 2005 г., 22 августа (М = 5,0, к = 10 км) и 17 ноября (М = 4,2, к = 10 км) 2007 г., 22 августа 2009 г. (М = 4,8, к = 15 км).

Настораживает необычная для естественной сейсмичности регулярность их появления и аномально высокая повторяемость. Эпицентры этих толчков образуют плотный кластер около юго-восточной части контура Пильтун-Астохского месторождения. Его продуктивный пласт выявлен на глубинах 1,2-2,5 км, в то время как гипоцентры землетрясений расположены либо вблизи границы Конрада, залегающей в этом районе на глубинах 14-16 км [8], либо немного выше ее. При такой глубине очагов наведенная сейсмичность носит, по-видимому, триггерный характер.

Возникает вопрос, почему она не зарегистрирована вблизи других морских месторождений. Причины следующие: промышленная добыча углеводородов еще не производится (месторождение Аркутун-Даги), начата с помощью морских платформ, но находится на начальной стадии (Чайво, Лунское), ведется с берега с помощью наклонных скважин и потому вес платформы (-40-100 тыс. т) не нагружает морской грунт (Одопту-море и Чайво).

Величина накопленных упругих напряжений в окрестности Пильтун-Астох-ского месторождения неизвестна, поэтому

возможны два сценария развития наведенной сейсмичности: оптимистический, по которому разрядка упругих напряжений недр возможна за счет землетрясений с М < 6, и пессимистический, когда подобных толчков для разрядки недостаточно, и потому вероятно появление более сильных землетрясений.

Иную картину, по-видимому, следует ожидать на Лунском газоконденсатном месторождении. Здесь наиболее вероятен неблагоприятный сценарий, поскольку отбор газа обычно не сопровождается восстановлением пластового давления.

С учетом сказанного необходимо срочно организовать оперативный сейсмический мониторинг на северо-восточном шельфе о-ва Сахалин. Пока неоперативные наблюдения на севере Сахалина осуществляют 4 цифровые сейсмические станции оператора проекта «Сахалин-2» («Сахалин Энерджи Инвестмент Компани Лтд.»), которые обслуживают сотрудники ИМГиГ ДВО РАН, и 3 станции СФ ГС РАН. Наблюдения осложняются малой плотностью сети, недостаточной оперативностью сбора данных (раз в два-три месяца), разнотипностью аппаратурного оснащения (станции «SMART-24R», «Дельта-Геон-02», «Datamark»), нестабильностью работы российских станций и т.д. Для предупреждения катастроф необходимо ликвидировать эти проблемы, кроме того, создать выносные пункты наблюдений (включая донные станции) вблизи каждого крупного месторождения, организовать центр сбора, обработки и анализа получаемых данных, разработать методику и математическое обеспечение для диагностики периодов повышенной вероятности сильных землетрясений и краткосрочного (несколько суток) прогноза места и времени их возникновения. При реализации последнего пункта мероприятий целесообразно использовать опыт, накопленный при создании методологии прогноза сильных землетрясений, апробированной во многих районах, в том числе в Сахалинском регионе [9].

ЛИТЕРАТУРА

1. Адушкин В.В., Турунтаев С.Б., Куликов В.И., Стром А.Л. Техногенно-индуцированные катастрофические процессы в земной коре // Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ними техногенные катастрофы. В 8 т. / под ред. Н.П.Лаверова. Т 1. Сейсмические процессы и катастрофы / отв. ред. А.О.Глико. М.: ИФЗ РАН, 2008. С. 100-126.

2. Кофф Г.Л., Малаховский А.А., Ким Чун Ун. Роль характера застройки городов острова Сахалин в формировании сейсмического риска и анализ последствий Невельских землетрясений 18 августа 2006 г. и

2 августа 2007 г. Владивосток: Дальнаука, 2007. 60 с.

3. Мавлянов ГА. Газлийские землетрясения 1976 и 1984 гг. Ташкент: ФАН УзбССР, 1986. 368 с.

4. Мирзоев К.М., Николаев А.В., Лукк А.А., Юнга С.Л. Наведенная сейсмичность и возможности регулируемой разрядки накопленных тектонических напряжений в земной коре // Физика Земли. 2009. № 10. С. 49-68.

5. Николаев А.В. Проблемы наведенной сейсмичности // Наведенная сейсмичность. М.: Наука, 1994. С. 5-15.

6. Поплавская Л.Н., Иващенко А.И., Оскорбин Л.С. и др. Региональный каталог землетрясений острова Сахалин, 1905-2005 гг. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2006. 103 с.

7. Сапрыгин С.М., Тихонов И.Н., Василенко Н.Ф. Геодинамический мониторинг при разработке Лунского газоконденсатного месторождения // Вопр. экологии природопользования. Южно-Сахалинск, 1993. С. 126-130. (Информ. вестн.; вып. 6).

8. Терещенков А.А., Бабошина В.А., Харахинов В.В. Структура земной коры Охотоморского региона // Сейсмическое районирование шельфа. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990. С. 38-65.

9. Тихонов И.Н. Методы и результаты анализа каталогов землетрясений для целей средне- и краткосрочного прогнозов сильных сейсмических событий. Владивосток; Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2006. 214 с.

10. Тихонов И.Н. Наведенная сейсмичность вблизи «Пильтун-Астохского» нефтегазоконденсатного месторождения, о. Сахалин // Современная геодинамика недр и эколого-промышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса: материалы междунар. конф., Москва, 7-9 дек. 2009. М.: Ин-т Африки РАН, 2009. С. 164-167.

11. Grasso J.R., Wittlinger G. Ten years of seismic monitoring over a gas field // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1990. Vol. 80, N 2. P. 450-473.

12. Reasenberg P. Second-Order Moment of Central California Seismicity, 1969-1982 // J. Geophys. Res. 1985. Vol. 90. P. 5479-5495.