Применение геофизических методов при геоэкологических исследованиях верхней части разреза Бованенковского газоконденсатного месторождения полуострова Ямал

УДК [553.981: 550.83]

О.Д. Смилевец, Н.В. Хаюк, К.А. Кравцова, Е.Н. Волкова, А.В. Иванов, А.Г. Кузин

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА БОВАНЕНКОВСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛУОСТРОВА ЯМАЛ

Приводятся данные геофизических работ при геоэкологическом обследовании технических сооружений на территории Бованенковского газоконденсатного месторождения полуострова Ямал.

O.D. Smilevets, N.V. Hajuk, K.A. Kraftsova, E.N. Volkova, A.V. Ivanov, A.G. Kuzin

GEOPHYSICAL METHODS APPLICATION AT GEO-ECOLOGICAL RESEARCHES OF THE TOP PART CUT OF BOVANENKOVSKY GAS-CONDENSATE FIELD

OF YAMAL PENINSULA

The article researches the data of geophysical works at geo-ecological inspection of technical constructions in territory of Bovanenkovsky gas-condensate field of peninsula of Yamal.

В течение 2003-2005 гг. на территории Бованенковского газоконденсатного месторождения (ГКМ) проводились инженерно-геологические изыскания с целью литологического расчленения верхней части разреза (ВЧР) многолетнемерзлых пород (ММП) до глубины 10-15 м. Исследовались переходы через водные преграды для определения максимальной глубины протайки под их руслами, а также состояние автодорог и технических сооружений, находившихся в эксплуатации.

В геологическом строении полуострова Ямал принимают участие отложения палеозойской, мезозойской и кайнозойской систем. Коренные породы залегают на глубине от 2-3 м до 50-70 м под чехлом четвертичных отложений. В составе отложений преобладают переслаивающиеся слои глин, суглинков, песков и глин с прослоями суглинков (рис. 1).

В связи с интенсивным освоением полуострова геофизические аспекты изучения ММП приобретают помимо теоретического большое практическое значение.

Особенностями Ямала являются: повсеместное распространение легко

разрушаемых напочвенных растительных покровов; чрезвычайно высокая (до 50-70%) льдистость верхнего 50-80-метрового слоя ММП; широкое распространение вблизи поверхности (1,5-6 м) различных крупных форм подземного льда до 30-40 м толщиной и до 300-600 м в поперечнике; высокая увлажненность и заболоченность почти всех форм рельефа; широкое развитие засоленных пород, соленых подмерзлотных вод.

Рис. 1. Литолого-стратиграфическая колонка Бованенковского ГКМ Условные обозначения:

В геологическом строении территории Ямала принимают участие коренные отложения, перекрытые сверху чехлом преимущественно суглинистых четвертичных осадков различного генезиса. В

геокриологическом отношении

характерно развитие сплошной низкотемпературной мерзлоты с широким развитием подземных льдов и криогенных процессов.

Учитывая сложные

геокриологические условия Ямала, необходимо выполнение опережающих геокриологических, инженерно-

геологических и геофизических исследований на осваиваемых территориях.

Комплекс геофизических

исследований включал в себя следующие виды работ:

микроэлектрические зондирования (МКВЭЗ) с АВ/2 < 50 м; круговые микроэлектрические зондирования (Кр МКВЭЗ); измерения на контрольных участках (КУ); сейсморазведочные работы в модификации метода преломленных волн (МПВ); бурение и термокаротаж инженерно-

геологических скважин.

МКВЭЗ проводились по

линейным трассам с шагом 300 м, с разносами питающих линий АВ/2, равными 0,70; 0,93; 1,23; 1,64; 2,30; 2,90;

3,90; 5,20; 6,85; 9,10; 12,10; 16,10; 21,50; 26,00; 31,00 (м). Использование предлагаемой методики позволяет получать повышенную точность интерпретации кривых ВЭЗ и ускорить процесс интерпретации благодаря применению упрощенных методов.

Геоэлектрические характеристики верхней части разреза отличаются большой изменчивостью. На форму кривых ВЭЗ оказывают влияние многие факторы -литологические, влажность, льдистость, наличие в разрезе наклонных и вертикальных границ раздела, поверхностные и внутренние неоднородности [2]. Полученные кривые ВЭЗ (308 шт.) распределяются следующим образом (табл. 1).

Таблица 1

Типы кривых ВЭЗ верхней части разреза Бованенковского ГКМ

А - 13 Н - 24 Q - 4 K - 3

АА - 53 НА - 54 QH - 10 KH - 3

АК - 27 НК - 27 QHK - 3 KQ - 2

ААА - 32 НАА - 9 KHK - 6

ААК - 26 НАК - 11

АКН - 4 НКН - 2

суглин

ки

- глины

- пески

|- мерзлые породы

Т, °С - температура jj - пород

супеси Dsal, % -

засоленность пород

Основная масса кривых ВЭЗ относится к четырехслойному разрезу (57,1%). К пятислойному и трехслойному разрезам соответственно относятся 28,7 и 14,2% кривых ВЭЗ. Результаты сопоставления литологических данных и электрического сопротивления пород представлены в табл. 2.

Видно, что породы района Бованенковского месторождения достаточно четко дифференцируются по сопротивлениям в зависимости от дисперсности и криолитологического состояния.

Как отмечалось выше, УЭС пород зависит от их влажности, засоленности и температуры. На рис. 2 и 3 представлена серия графиков зависимости влажности и электрического сопротивления пород от их температуры.

Таблица 2

Сопоставление литологических данных и электрических сопротивлений талых и мерзлых пород

Порода Сопротивление пород (в Ом.м) Отношение сопротивления мерзлых и талых пород

талых мерзлых

Торф 10-30 і=0,45 180-300 18-30

Суглинок Обводненный 10-15 і=0.1-0.15 60-70 6-80

Мягкопластичный 20-60 і=0.1-0.15 100-160

Пластичный 60-80 і=0.20-0.25 140-200

і=0.25-0.35 170-240

Тугопластичный 80-100 і=0.4-0.45 300-400

і>0.5 250-450 500-600

Супесь 30-50 і=0.1 50-60 2-24

і=0.3 400-740

і=0.5 600-800

Песок 40-100 100-200 400-500 2000-3000 2-60

Оторфованный 400 600

Лед >200-400 ледогрунт 800-5000

Wí %

Wí %

Рис. 2. График зависимости содержания Рис. 3. График зависимости удельного

незамерзшей воды от температуры мерзлых электрического сопротивления от температуры пород: 1 - песок; 2 - глина; 3 - суглинок пород: 1 - песок; 2 - глина; 3 - суглинок

На рис. 4 представлен график

зависимости УЭС пород от их для территорий

и Бованенковского полуострова Ямал, по методике

температуры Харасавейского месторождений построенный А.Н. Боголюбова.

На графике видно возрастание значения УЭС пород в зависимости от увеличения их дисперсности и понижения температуры.

В табл. 3 приведены типичные для Бованенковского ГКМ кривые ВЭЗ с характеристикой мерзлотно-геологических условий. Типы кривых ВЭЗ являются важным критерием при районировании территории по геоэлектрическим условиям.

По результатам исследований была построена карта ареалов распространения типов кривых ВЭЗ (рис. 5).

Преобладающими по ареалам

распространения являются кривые ВЭЗ типа А (НА), Н, НК, К (КН).

Статистический анализ р^ и данных бурения инженерно-геологических скважин позволяет сделать вывод о том, что для

разреза типа А опорный горизонт с высоким сопротивлением представлен сильнольдистыми суглинками, а для разреза типа К - мерзлыми песками. Участки, соответствующие ареалам распространения кривых ВЭЗ типа Н, Q, приурочены к зонам понижения рельефа, руслам рек и ручьев, сложенным суглинками, сменяющимися по разрезу более грубодисперсными породами, - супесями и песками.

Рис. 4. Графики зависимости руа пород

Карта ареалов распространения (рис. 5) типов кривых ВЭЗ представляет собой наглядное отображение основных особенностей мерзлотных условий изучаемого разреза.

от температуры для территории Харасавейского и Бованенковского газовых месторождений

T, °С і г;

8Н

4

15 го зо Го го зо io ¿o зо ÎÔ 20 зо

д ни

Рис. б. Карта схема ареалов

Рис. 6. Результаты геофизических исследований распространения типов кривых ВЭЗ на контрольном участке: а - изменение температуры воздуха; верхней части разреза б - изменение температуры поверхностного слоя земли;

% - вариант прокладки трубопровода ' и автодорог

На рис. 5 пунктирной линией обозначен наиболее безопасный (надежный) вариант прокладки автодороги и трубопровода высокого давления на исследуемом участке. Трубопровод и автодороги с насыпным основанием и бетонным покрытием предлагается прокладывать по участкам распространения кривых ВЭЗ типа А, АК, КН, НК, КНК, которые соответствуют наиболее устойчивым (и менее подверженным внешним воздействиям) многолетнемерзлым породам.

Таблица 3

Типы кривых ВЭЗ Бованенковского ГКМ и их мерзлотно-геологическая характеристика

в

Форма кривой МКВЭЗ Краткая характеристика кривых ВЭЗ Краткое описание особенностей литологии разреза Примечание

Рк (О. і 2GGG 1GGG 1G ш) / * s/~ /S/ У? f АВ(м) / 2 1 1 1— 1 1G 3G Кривые типа А, АА, с частыми осложнениями в начальной(левой) части кривой ВЭЗ рнт'п=10-80 Омм рнтах=300-2000 Ом м Песчано- суглинистые толщи Этот тип кривых ВЭЗ получен при обследовании технических сооружений (автодорог), искажение в левой ветви кривой (а>45°) связано с наличием наклонных границ раздела и «блоков» талых и мерзлых пород

Рк (Ом J 1000 100 40 лм) к .— / \ / / ч\^ ч АВ(м) 2 -1 1 1— 1 10 30 Кривые типа Н, НА с частыми осложнениями в начальной (левой) части кривой ВЭЗ рнт'п=20-60 Омм Рнтах=400-600 Омм Перекрытые тонким слоем торфа песчаноглинистые обводненные толщи пород, сменяющиеся мерзлыми песками Водотоки небольшой мощности (ручьи). Осложнения на кривой ВЭЗ связаны с поверхностными неоднородностями, искривлением русла ручья

Рк

Рк 150 70 30 Омм) к N4 1 1 1— 1 10 30 АВ(м) 2 Кривые типа О, ОН с частыми осложнениями в левой части ветви ВЭЗ Рнт'п=10-15 Ом м Р„тах=80-100 Омм Песчаносуглинистые толщи, сменяющиеся по разрезу водоносными песками, ниже мерзлыми породами Водотоки (реки). Осложнения, показанные на кривой ВЭЗ, связаны с поверхностными однородностями

В течение полевого сезона 2003 года на контрольных участках (Ку) проводилось ежедневное измерение температур воздуха и поверхностного слоя земли на глубине 0,3 м, где была закреплена установка АМЫБ (АВ=0,6 м) для измерения УЭС пород. Проводились контрольные измерения установкой МК ВЭЗ по всему изучаемому разрезу. Результаты исследований представлены на рис. 6. Графики свидетельствуют об увеличении УЭС пород при уменьшении их температуры.

На основе этих исследований были рассчитаны сезонные коэффициенты (Кс) [3, 4]. Следует отметить, что основные изменения величины Кс происходят на разносах АВ/2 = 0,70-6,86 (м), соответствующих глубине исследований пород, примерно 3-4 м. Это связано, по всей видимости, с изменением литологического состава пород, слагающих ВЧР. Наличие больших величин Кс в июне и июле связано с тем, что основная масса изучаемых пород находится в мерзлом состоянии и процесс протаивания только начинается.

При комплексной интерпретации электроразведочных и сейсморазведочных данных сопоставлялись значения УЭС пород и значения скоростей продольных волн (Ур), полученные на одних и тех же участках исследований. Для этого на скоростные разрезы в соответствующем масштабе были вынесены величины УЭС и мощности (И) геоэлектрических горизонтов, полученные в результате интерпретации. По результатам исследований были получены соответствия, которые приводятся ниже (табл. 5).

Представленные единичные примеры свидетельствуют о том, что увеличению значений УЭС соответствует возрастание величины значений скоростей продольных волн (Ур) и, соответственно, увеличение глубины исследований пород. Увеличение УЭС и значений Ур

связано с изменением литологии пород, уменьшением значений их температуры, возрастанием льдистости и плотности мерзлых пород.

Таблица 4

Значения сезонных коэффициентов Кс для Бованенковского ГКМ

АВ/2 Июнь Июль Август Сентябрь

10 20 30 10 20 30 10 20 30 10 20 30

0,70 3,4/1,7 2/1,4 1,8/1,3 1,6/1,2 1,3/1,2 1,2/1,1 1,15/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,2/1,0 1,3/1,1 1,4/1,2

0,93 3,4/1,7 2/1,4 1,8/1,3 1,6/1,2 1,3/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,1/1,0 1,2/1,1 1,3/1,2

1,23 3,4/1,7 2/1,4 1,7/1,3 1,6/1,2 1,2/1,1 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,1/1,0 1,2/1,1 1,3/1,2

1,64 3,2/1,6 2/1,3 1,7/1,3 1,5/1 1,2/1,1 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,1/1,0 1,2/1,1 1,3/1,1

2,30 30/1,6 1,8/1,3 1,6/1,3 1,5/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,1/1,1 1,2/1,1

2,90 2,7/1,6 1,8/1,3 1,6/1,3 1,4/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,1/1,0 1,2/1,1

3,90 2,6/1,6 1,8/1,2 1,5/1,3 1,4/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,1/1,0

5,20 2,4/1,5 1,7/1,2 1,5/1,3 1,3/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

6,86 2,2/1,5 1,6/1,2 1,5/1,2 1,3/1,2 1,1/1,0 1,1/1,0 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

9,10 2/1,5 1,6/1,2 1,4/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

12,10 1,8/1,4 1,6/1,2 1,4/1,2 1,2/1,1 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

16,10 1,7/1,4 1,5/1,2 1,3/1,2 1,1/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

21,50 1,5/1,3 1,4/1,2 1,2/1,1 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

26,00 1,5/1,3 1,4/1,2 1,2/1,1 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

31,00 1,5/1,3 1,4/1,2 1,2/1,1 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0 1,0/1,0

В процессе проведения геофизических работ по обследованию полотна автодорог, находящихся в эксплуатации, представилась возможность определить его конструкцию (рис. 7). Положение кровли ММП под полотном автодороги на кривых ВЭЗ четко фиксировалось характерным перегибом, обычно соответствующим глубине 1,2-1,6 м в зависимости от конструкции земляного полотна. Для контроля определения кровли мерзлых пород использовался специальный щуп длиной 1-1,5 м. Определение глубины проводилось в центральной части полотна, на обочине (на берме) и на некотором от нее удалении. Полученные глубины учитывались при интерпретации кривых ВЭЗ, являлись дополнительной информацией, тем самым повышая точность интерпретации.

Таблица 5

Сопоставление значений УЭС и Ур на контрольных участках

ВЭЗ 6142 ВЭЗ 6140

Руд

8-23 0-500 160-250 0-500

44 500-1500 280 500-1500

100 1500-2500 640 1500-3500

260 2500-4000 1000 >3500

ВЭЗ 6139 ВЭЗ6236

Руд

380 500 260 0-800

640 500-1000 170 800-1200

820 1000-2000 290 1200-1600

1200 2000-4000 360 1600-2000

1500 >5000 480 2000-3000

740 >5000

По результатам повторных (проведенных в 2003 г.) геофизических исследований, зафиксировано поднятие кровли ММП под основанием насыпи автодороги, на 1-1,5 м после ее эксплуатации автотранспортом, что полностью соответствует принятым ранее прогнозным геоэкологическим решениям [4].

1Ц 03 ВЧ'164 скв.94

грунтов после во «ведения ГР> нтов <" вотедення насыпи

Рис. 7. Конструкция земляного полотна

Условные обозначения:

ВЭЗ 321 сз

V - точки ВЭЗ ^ - точки сейсмозондирований

-Ш Аскв. 64

- замеры щупом ¡/\ - инженерно-геологическая скважина и ее

номер

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• Вертикальные электрические зондирования дали удовлетворительные результаты при определении глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород и литологического расчленения разреза. Применение метода ВЭЗ позволило определить техническое состояние автодорог, находящихся в эксплуатации в зонах развития ММП.

• Удельное электрическое сопротивление ММП зависит, в основном, от температуры, льдистости, засоленности пород и времени проведения замеров. Для данного региона отмечается уменьшение значений УЭС пород, связанное с их засолонением. Эта зависимость установлена полевыми геофизическими работами, результаты которых обобщены в этой статье.

• Изучение изменения атмосферного давления, температуры окружающего воздуха, поверхностного слоя почвы и его рк позволило выявить закономерности, связанные с процессами промерзания, и значительно дополнить статистические данные об изменении величины сезонных коэффициентов (Кс).

• Инженерно-геологические условия района месторождения, в целом, разнообразны и сложны. Это обусловлено широким развитием как многолетнемерзлых, так и талых пород, разнообразием криогенных форм рельефа, развитием торфяных массивов с ярко выраженным бугристым рельефом и с заболоченными термокарстовыми понижениями. На рассматриваемой территории отмечается широкий диапазон температур пород: от положительных до отрицательных.

• Разработана методика наблюдений за состоянием природных сред и инженерных сооружений. Проведены наблюдения и контроль за состоянием многолетнемерзлых пород

криогенными процессами в зоне взаимодействия с инженерными объектами и за ее пределами.

• Необходимо продолжить работы по наблюдениям за состоянием опытного участка автомобильной дороги с целью составления прогноза изменения ее эксплуатационного состояния; оценить морозостойкость и водопроницаемость песчаных и супесчаных грунтов. Для обеспечения безаварийной эксплуатации технических сооружений в зонах развития ММП необходим круглогодичный контроль как контактными, так и бесконтактными геофизическими методами исследований пород.

ЛИТЕРАТУРА

1. Геокриология СССР. Западная Сибирь / под ред. Э.Д. Ершова. М.: Недра, 1989.

454 с.

2. Смилевец О.Д. Использование логарифмических бланков с модулем 10 см вместо 6,25 при построении кривых вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) / О. Д. Смилевец, В.Н. Олешев // Изобретения и рацпредложения в нефтегазовой промышленности. 2002. Вып. 5. С. 3.

3. Смилевец О.Д. Методика и технология геофизических исследований верхней части геологического разреза при проектировании технических сооружений в нефтегазоносных районах криолитозоны: автореф. дис. ... доктора геолого-минералог. наук / О. Д. Смилевец. Саратов, 2003. 45 с.

4. Смилевец О.Д. Комплексные геофизические исследования верхней части геологического разреза при проектировании технических сооружений в нефтегазоносных районах криолитозоны / О.Д. Смилевец. Саратов: Научная книга, 2003. 167 с.

Смилевец Олег Демьянович -

доктор геолого-минералогических наук,

профессор кафедры «Производство строительных изделий и конструкций»

Саратовского государственного технического университета

Хаюк Нина Васильевна -

аспирант кафедры «Производство строительных изделий и конструкций»

Саратовского государственного технического университета

Кравцова Ксения Александровна -

студентка 3-го курса специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Саратовского государственного технического университета

Волкова Елена Николаевна -

доцент, кандидат геологических наук, декан геологического факультета Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Иванов Алексей Викторович -

профессор, заведующий кафедрой «Геоэкология»

Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Кузин Андрей Геннадиевич -

аспирант кафедры «Геоэкология»

Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Статья поступила в редакцию 12.07.07, принята к опубликованию 15.01.08