Прогнозирование чрезвычайных ситуаций при разрушении залежей газовых гидратов на озере Байкал

Prediction of emergency situations during destruction of accumulations of gas hydrates at Baikal lake

A.Vorob’yov, Ye. Chekushina, Ch. Rygzynov, Chair of oilfield geology, mining and oil & gas business of Russian university of peoples’ friendship

Рассмотрены возможные природные чрезвычайные ситуации в акватории озера Байкал. Разработана классификация аквальных залежей газовых гидратов по степени их опасности для окружающей среды.

Growth of emergency situations in recent years is analysed. Possible main natural emergency situations in the water area of Lake Baikal are considered. Classification of aquatic deposits of gas hydrates by degree of their danger to environment is developed. The mechanism of emergence of emergency situations at destruction of deposits of gas hydrates on Lake Baikal.

Согласно №68-ФЗ от 21.12.1994 г. «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» в ст. 1 под чрезвычайной ситуацией (ЧС) понимается обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии, опасного природного явления и т.д., которые могут повлечь или повлекли за собой жертвы или ущерб здоровью людей и окружающей среде.

При анализе природных катастроф XX века наблюдается тенденция увеличения их числа с начала века по его завершение в 20 раз. Так, в мире в начале столетия регистрировалось в среднем 10 крупных природных катастроф в год, в середине века – 65, а в конце ХХ века – уже почти 200. Только в результате происходящих стихийных бедствий на Земле за одно прошлое столетие погибло свыше 8 млн человек: от наводнений – почти 32%, тропических штормов – 32%, землетрясений – 11%, засухи – 10% и т.д. [1].

Замечено, что в последнее время быстро растут материальные потери из-за природных катастроф. Так, с периодичностью 7 лет экономические потери возрастают в 2 раза (эта тенденция выявлена за последние 50 лет).

В частности, только в период с конца ХХ века по начало ХХI века экономический ущерб, нанесенный всего лишь шестью видами опасных природных процессов, в среднем составил 150 млрд долл. в год. При этом в последнее время из-за разрушительных природных явлений за этот период количество жертв увеличилось на 4,3%, а в целом пострадавших – на 8,6% [1].

Таким образом, техногенные и природные катастрофы становятся постоянно действующими факторами, которые следует учитывать в различных ситуациях. Россия входит в пятерку мировых экспортеров энергетического сырья, поэтому при нарастании угроз в природно-техногенной сфере, естественно, возникает вопрос сохранности сооружений для его добычи и разработки.

Среднестатистически ежегодно в России происходят около 240 чрезвычайных ситуаций природного характера (рис. 1). По данным МЧС России, наиболее часты: природные ЧС атмосферного характера (ураганы, бури, смерчи, шквалы) – 28%; землетрясения – 24%; наводнения – 19%; оползни и обвалы – 4%; лесные пожары и т.д. – 25%.
Рис. 1. Динамика коэффициента относительного роста числа чрезвычайных ситуаций (http:www.900igr.net)
Разнообразие условий на территории Российской Федерации определяет и значительное разнообразие видов чрезвычайных ситуаций, важными среди которых являются обязанные своим появлением различным крупным акваториям.

Байкал является глубочайшим озером на Земле и одним из самых больших по площади. Он занимает центральную часть Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Длина этого озера составляет 635 км, ширина варьирует от 25 до 80 км, а максимальная глубина – 1642 м. Мощность осадочных пород во впадинах озера Байкал достигает 8 – 10 км. Скорость осадконакопления оценивается в среднем – 4 см/1000 лет.

При сейсмозондировании в период 1997 – 2007 гг. на дне Центральной и Южной котловин озера было выявлено широкое распространение в донных отложениях залежей газовых гидратов (ГГ) (рис. 2).
Рис. 2. Схема расположения залежей газовых гидратов
При этом были выявлены разрывы границ зоны стабильности гидратов (ЗСГ) (грязевые вулканы Маленький, Большой, Старый и т.д.), которые могут привести к нарушению залежей ГГ и высвобождению метана.

Районы интенсивной разгрузки газа (как яркое свидетельство наличия больших запасов газа), по мнению многих исследователей, определяют формирование пропарин в ледовом покрове озера (рис. 3), например, в районе Усть-Селенгинской депрессии.
Рис. 3. Выходы газа со дна оз. Байкал (http://www.magicbaikal.ru)
В связи с тем, что газовые гидраты крайне чувствительны к изменениям параметров внешней среды (P+T), необходимо оценить их предполагаемое влияние на окружающую среду и возможные чрезвычайные ситуации при быстротекущем (практически мгновенном) разложении большого массива спрессованных гидратосодержащих пород на разжиженную массу и огромное количество высвобождающегося при этом газа (метана) (в 1 см3 гидратов содержится 16 м3 СН4) [2, 3].

Выделение столь значительного объема метана (при условии общей толщи газогидратов на Байкале, равной 200 – 220 м) может ускорить процессы глобального потепления, что в свою очередь вызовет циклическую реакцию дальнейшего разложения ГГ (не только на Байкале, но и в других акваториях).

В связи с активизацией сейсмоактивности Байкальского региона (наблюдаемой в последнее время) есть основания предполагать влияние подобных процессов на состояние залежей аквальных гидратов озера.

Нами была разработана классификация аквальных залежей ГГ по степени их опасности для окружающей среды (табл.).
Табл. Классификация газогидратных залежей озера Байкал по степени опасности
Аквальные газогидратные залежи стабильны только при строго определенных условиях: глубине залегания под дном воды; низких пластовых температурах воды; плотности и составе природного газа; различных гидратообразующих компонентах; пористости отложений или коэффициенте гидратонасыщения (т.е. степени заполнения гидратами порового пространства); коэффициенте расширения при разложении гидратов метана и площади залежей.

Различное природное или техногенное изменение термобарических условий в придонной зоне с газовыми гидратами нарушает исходное равновесие в ЗСГ, в результате чего происходят их деформация и разрушение.

Инициаторы этих процессов могут быть самые разнообразные: быстрое накопление осадочной толщи; тектоническое поднятие или локальное растяжение земной коры; миграция флюидов (это жидкие и газообразные компоненты магмы и/или насыщенные газами растворы, циркулирующие в земных глубинах); оползни в акватории [4].

Нарушение стабильности залежей газовых гидратов по причине природного и техногенного характера может привести к их мгновенному (катастрофическому) разрушению. Даже небольшое изменение температуры или давления способно превратить прочно сцементированные гидратосодержащие породы в жидкие с одновременным освобождением значительного количества газа, делающего этот процесс необратимым (теплота разложения гидрата метана на газ и жидкую воду составляет 54,2 кДж/моль).

Причинами возможных катастрофических разрушений газогидратной зоны могут послужить землетрясения, резкое потепление воды в акватории, изменение состава прилегающих вод (за счет поступления более теплых течений), а также неэффективная разработка, повлекшая их разрушение, и т.д.

Наиболее катастрофичное землетрясение (Цаганское землетрясение) произошло в 1862 г. Его магнитуда составляла 7,5, а интенсивность сотрясений в эпицентре – 10 баллов, что привело к подтоплению территории (Цаганской степи) площадью 230 км2 (в дальнейшем на этом месте образовался новый залив – Провал).

Согласно летописи «Каталог землетрясений Российской Империи» (И. Мушкетов и А. Орлов, 1893 г.) в это время отмечен факт извержения горючего газа: «…вода, потопившая Цаган, в первый день была теплее летней, и … скот, бродивший в ней, не замерзал в течение 1,5?суток; точно так же и буряты, лазившие в воду … за своими … пожитками, не чувствовали в первое время никакого холода» (с. 366) при том, что землетрясение произошло в середине января, когда среднемесячная температура воздуха в этом регионе составляет -33°С.

За последние 200 – 300 лет в пределах БРЗ отмечено около 30 – 40 сильных землетрясений с М?6,0, а с учетом данных о палеоземлетрясениях, полученных на основе изучения палеосейсмодислокаций, почти в 2 раза больше. В настоящее время в пределах Байкальской рифтовой зоны регистрируется более 3?тыс. сейсмических толчков в год магнитудой от 1,7 и выше.

Наиболее активные сейсмические процессы для территории Байкальской котловины ориентированы по простиранию БРЗ в направлении северо-восток – юго-запад. Чаще всего происходят землетрясения в пределах котловины: в районе дельты реки Селенги и острова Ольхон, а также в юго-западной части полуострова Святой Нос.

Анализ расположения эпицентров землетрясений на озере Байкал за последнее десятилетие показывает, что подавляющая часть фиксируемых землетрясений имеет чрезвычайно слабую магнитуду (М<2,3) (рис. 4), в связи с чем, вероятно, не сильно влияет на ЗСГ.
Рис. 4. Карта эпицентров землетрясений (М=3,5 – 6,5) оз. Байкал и прибрежной акватории за период 2002 – 2012 гг.
В пределах Байкальской котловины за последнее десятилетие произошло 4 землетрясения (М?5), которые относятся к разряду опасных для приповерхностного газогидратного слоя. На стадии подготовки основного толчка, по мере возрастания упругих напряжений в породах, происходит образование многочисленных трещин, сопровождающихся возникновением упругих колебаний. При этом происходит ускоренное выделение газов.

В основном уровень залегания подошвы сейсмоактивного слоя составляет 30 км. В связи с тем, что верхняя часть разреза в пределах котловины представлена осадочными отложениями, она является малопрочной средой, которая не способна выдерживать напряжения, достаточные для возникновения сильных землетрясений.

Для предотвращения опасного воздействия процессов миграции углеводородов на экосистему оз. Байкал необходимо проводить соответствующие исследования и мониторинг возможных опасностей. Необходимо также исследовать степень гидрофлюидной устойчивости газогидратного слоя на дне Байкала в условиях исключительно высокой динамики проявления современных геологических процессов.

Постоянное изучение процессов газовыделения на Байкале необходимо, т.к. в условиях активизации тектонических движений возможен самопроизвольный выброс большого количества метана, что может повлиять на экосистему озера и значительно сказаться на прибрежной зоне [5].

С процессами разрушения газогидратного слоя связывают развитие таких опасных процессов, как подводные оползни и обвалы.

Инициаторы этих процессов могут быть самыми разнообразными: вулканическая деятельность, понижение уровня мирового океана, повышение температуры у основания зоны стабильности за счет продолжающегося процесса седиментации и, наконец, антропогенный фактор – т.е. любые процессы, ведущие к снижению давления либо повышению температуры (рис. 5).
Рис. 5. Воздействие гидратов на окружающую среду и производственные процессы (по данным ВНИИокеангеологии им. И.С. Грамберга)
За последние 100 лет температура воздуха в котловине Байкала увеличилась в среднем на 1,2°С, что в 2 раза превышает среднемировые показатели. Данный фактор дает опасение предполагать изменение термобарических условий в придонной зоне ГГ, которое может нарушить равновесие ЗСГ.

Разрушение газогидратов при погружении осадочной толщи ниже нижней границы их стабильности приводит к возникновению значительных скоплений свободного газа (рис. 6). Краткотечное разложение аквальной залежи газогидратов представляет значительную опасность, прежде всего, для людей, населенных пунктов и предприятий, расположенных в прибрежной зоне Байкала, как раз за счет образования и последующего воздействия мощных волн (получивших название «сейш»).
Рис. 6. Принципиальная схема формирования газовых потоков, пропарин и грязевых вулканов на оз. Байкал (по Исаеву В.П., 2001 г.):
1 – магматические и метаморфические породы, 2 – осадочная толща, 3 – водная толща Байкала, 4 – пропарины, 5 – газогидратный слой, 6 – грязевой вулкан, 7 – разломы, 8 – направления газовых потоков, 9 – скопления горючих газов, 10 – тепловые потоки
Так, кинетическая энергия подобных волн высотой 1 м, протяженностью 1 км побережья с периодом 10 сек. развивает мощность более 26,1*106 Дж/сек., или около 14,2*103 Дж/сек. на 1 м берега (в зависимости от района и рельефа прибрежного дна).

При сейшах происходит колебание всей массы воды, при котором возникает один или несколько узлов. Когда узлы сейши ударяются в береговые расщелины, вода может подняться на 100 – 200 м по побережью, при этом находящийся в ущелье объем воздуха захватывается и сжимается до большого давления, порождая эффект, схожий с пневмовыстрелом (давление может достигать до 65 – 85 т/м2). Успешное решение задачи промышленной разработки залежей газогидратов (извлечение газов) – проблема завтрашнего дня – уменьшит их избыточное количество в акватории и снизит пластовое давление, что приведет к уменьшению или полному прекращению естественных газопроявлений, которые наблюдаются в настоящее время.

Кроме этого возможен существенный экономический эффект, связанный с переводом энергетической отрасли Байкальского региона на газ.

А пока для оценки возможных самопроизвольных выбросов большого количества метана необходимо организовать мониторинг и картографирование газовыделений на озере Байкал (особенно в районе авандельты реки Селенги и в заливе Провал, где наблюдается максимальный дебит газовыделений).

Литература

  1. Осипов В.И. Природные опасности и стратегические риски в мире и в России // Экология и жизнь. 2009. №11 – 12 (96 – 97). С. 6 – 15.
  2. Воробьев А.Е., Малюков В.П. Рыгзынов Ч.Ц. Экспериментальное исследование образования газовых гидратов // Вестник РУДН. Серия «Инженерные исследования». 2012. №2. С. 85 – 93.
  3. Воробьев А.Е., Малюков В.П., Рыгзынов Ч.Ц., Молдабаева Г.Ж. Экспериментальное исследование влияния газов на образование газогидратов // Нефтегазовые технологии. 2011. №11. С. 32 – 36.
  4. Воробьев А.Е., Малюков В.П., Рыгзынов Ч.Ц. Осложнения при гидратопроявлениях в акваториях Баренцева моря и озера Байкал. Монография. М.: Изд-во РУДН, 2010. 189 с.
  5. Воробьев А.Е., Малюков В.П., Молдабаева Г.Ж., Рыгзынов Ч.Ц. Экспериментальное обоснование влияния состава газов на образование аквальных газогидратов // Известия НАН Республики Казахстан. Серия геологии и технических наук. Алматы (Казахстан), 2011. №5 (433). С. 67 – 72.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Воробьев А.Е.

    Воробьев А.Е.

    д.т.н., профессор, заведующий кафедрой

    кафедра нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела, Российский университет дружбы народов (РУДН)

    Чекушина Е.В.

    аспирант

    кафедра нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела РУДН

    Рыгзынов Ч.Ц.

    аспирант

    кафедра нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела РУДН

    Просмотров статьи: 4773

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru