|
![]() |
|||
![]() ![]() |
||||
Угроза катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала и ТаймыраRisk of catastrophic gas blowouts from the Arctic cryolithic zone. Yamal and Taimyr craters Исследование природы возникновения гигантских кратеров типа воронок взрыва в арктических регионах России – Ямал и Таймыр. The paper deals with the origin of giant craters of blasting cone type (cones) in the Arctic regions of Russia: Yamal and Taimyr В июле 2014 г. большое внимание научной общественности вызвала информация об обнаружении в Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО), в юго-западной части полуострова Ямал, в 30 км южнее уникального по запасам Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) и менее чем в 5 км от магистрального газопровода Бованенково–Ухта гигантского глубокого кратера (типа воронки взрыва), заполненного водой лишь в нижней части (рис. 1 – В1, рис. 2). За одну-две недели видеоролик, снятый с борта вертолета «Ми-8» и выложенный в Интернет, просмотрели свыше восьми миллионов раз, его показали по Центральному телевидению, а ряд региональных и центральных телерадиопрограмм также уделили воронке большое внимание в своих информационных сообщениях. О природе образования воронки было выдвинуто несколько гипотез, включая падение метеорита и обрушение подземного хранилища газа. Через несколько дней появилась информация об обнаружении еще двух воронок несколько меньшего размера в ЯНАО (рис. 1 – В2 и В3). Однако еще в мае 2014 г. ГТРК «Красноярск» показала воронку диаметром около 4 м и глубиной свыше 60 м, найденную зимой охотником С. Яптуне недалеко от поселка Носок в устье реки Енисей и получившую название «Воронка Таймыра» (рис. 1 – В4). Очевидно, что появление воронок в Арктике носит систематический характер и представляет несомненную угрозу жизнедеятельности человека.![]() Рис. 1. Расположение воронок Ямала и Таймыра на космоснимке [Bing, Microsoft] (положение воронок В3 и В4 показано примерно) Что показала «разведка архивов»Для повышения уровня изученности природных явлений и картирования зон распространения потенциально опасных природных объектов на шельфе России и в Мировом океане, представляющих проблемы для освоения ресурсов нефти и газа, в ИПНГ РАН в содружестве с рядом производственных предприятий проводятся комплексные научно-аналитические исследования геолого-геофизических материалов, накопленных в результате более чем 30-летнего периода морских геологоразведочных работ («разведка архивов») [1 – 7]. В результате данных исследований создается отечественная геоинформационная система о распространении различных природных феноменов (грязевые вулканы, стратовулканы, сипы нефти и газа, газогидраты и др.), которым уделяется большое внимание при решении научных и производственных задач за рубежом [8]. Большинство рассматриваемых природных явлений имеет прямую или косвенную связь. В связи с этим необходимо их комплексное изучение с выявлением причинно-следственных связей. В частности, извержения грязевых вулканов связаны с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) и повышенным содержанием газов, которые обычно выходят на поверхность вместе с грязевыми потоками, нередко самовоспламеняясь и взрываясь. Воспламенения и взрывы наблюдались на вулканах в Азербайджане (Гил в 1895 г., Гарасу в 1923 и 1977 гг., Харе-Зиря в 1940 г., Локбатан в 2012 г. и др.); Тамани (Карабетова гора в 1853, 1927 и 1947 гг., Шуго в 1903 г.); в Азовском море (Голубицкий в 1799 и 1924 гг.) и многих других регионах (Е.Ф. Шнюков, Ад.А. Алиев и др.). При этом высота факелов нередко достигала 100 – 500 м. Во время сильного землетрясения в Крыму 11 – 12 сентября 1927 г. (9 баллов) с эпицентром к югу от Ялты в море наблюдались «кипение воды» (видимо, выход газа) и ряд вспышек и взрывов газа. По словам очевидцев, высота пламени была около 500 м, а ширина – до 1,8 – 2,7 км [9]. Извержения вулканов всех типов провоцируются землетрясениями, но и сами порождают землетрясения.![]() Крупные провалы земной поверхности известны в ряде районов России и мира, при этом многие из них имеют природный и природно-техногенный генезис (например, карстовые воронки), а некоторые являются техногенными, обусловленными прямым вмешательством человека в природную среду. В 1986 – 2013 гг. в городе Березники Пермского края образовалось несколько провалов на местах шахтной разработки месторождения калийных солей, сопровождавшихся значительными землетрясениями. Размер первого и самого крупного из них, превратившегося в озеро, превысил 400х300 м. Размер провала в районе железнодорожной станции Березники достиг в плане 123х70 м, а его глубина – 98 м. Причина перечисленных выше техногенных провалов понятна и очевидна. Но что же явилось причиной формирования воронок на Ямале – еще предстоит исследовать. Будут ли здесь образовываться новые воронки и какую угрозу они несут? Только фактыПрактически сразу после появления первой информации о воронке к ее изучению подключился недавно открытый в Салехарде «Российский центр освоения Арктики» (РЦОА) – некоммерческое партнерство, созданное в 2014 г. по распоряжению Президента РФ рядом научных учреждений, включая Институт криолитосферы Земли Сибирского отделения РАН (ИКЗ СО РАН) и Институт проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН). Первые исследования на месте воронки были проведены специалистами РЦОА и М.О. Лейбман из ИКЗ СО РАН. Выяснилось, что воронка имеет форму близкую к окружности с внешним и внутренним диаметрами около 60 и 40 м, глубину – свыше 50 м. Вокруг воронки наблюдается бруствер из породы, выброшенной на расстояние до 120 м от ее края (рис. 2). Радиационная обстановка вблизи воронки в норме, а содержание метана немного превышает фоновое.![]() Рис. 2. Гигантская воронка на полуострове Ямал. Вид с вертолета [Правительство ЯНАО] ![]() Этим летом наблюдается активное таяние замороженных стенок воронок (на рис. 2 видны потоки воды), при этом происходят их постепенный размыв и обрушение. За счет притока воды размер озер на дне воронок будет увеличиваться и в недалеком будущем найденные воронки будут целиком заполнены водой, что приведет к появлению новых озер в дополнение ко многим тысячам уже существующих на Ямале. ![]() Газ, заполняющий коллекторы в верхней части разреза (ВЧР – первые сотни метров) или термокарстовую полость, может быть сингенетичным биохимическим (микробиальным) и катагенетическим, мигрировавшим из более глубоких отложений, например, из меловых и юрских. Последнее возможно в районах глубинных разломов, сквозных таликов и вблизи скважин, в которых нередко существуют заколонные перетоки с формированием техногенных залежей [13]. Также может быть, что залежь газа образовалась в результате диссоциации (распада) залежей газогидрата в криолитозоне (в том числе «законсервировавшихся» [14]) из-за изменения термобарических условий. Огрехи газовиков и нефтяников? Видимо Нет!Анализ имеющейся у нас достаточно полной базы координат нефтегазопоисковых скважин показал, что в районе первых двух выявленных воронок (рис. 1 – В1 и В2) бурение глубоких скважин не проводилось. Однако возможно, что были неглубокие (10 – 100 м), инженерно-геологические и структурные скважины, координаты которых у нас отсутствуют. Количество этих скважин в районе Бованенковского НГКМ, видимо, превышает 3 тысячи, при этом не менее чем в 260 скважинах были вскрыты пластовые льды средней мощностью 8 м при максимальной – 28,5 м [15]. Латеральные размеры погребенных массивов (залежей) льда меняются от десятков и сотен метров до первых километров, площадь нередко превышает 10 км2, а объем может быть больше 4 млн м3 [15]. В 1995 – 1996 гг. здесь были успешно проведены испытания, направленные на создание подземных хранилищ углеводородов в толще многолетнемерзлых пород (ММП). При этом формировались подземные камеры путем закачивания пара через специальную технологическую скважину для вытапливания льда [16]. Однако предварительный анализ техногенного влияния на образование воронок Ямала (В1 и В2) показал его малую вероятность, так как вблизи них отсутствуют следы деятельности человека (например, колея от движения техники, газопровод и др.).![]() О способности газа выбрасывать большие объемы горных пород свидетельствуют многочисленные аварийные выбросы газа и угля в шахтах, самый крупный из которых (около 600 тыс. м3 метана и 14 тыс. тонн угля) произошел в 1968 г. в Донбассе на шахте им. Ю.А. Гагарина (Горная энциклопедия, 1984). Однако среднестатистические выбросы в угольных шахтах более скромные – до 10 – 15 тыс. м3 метана и до 500 тонн угля. Другим примером служит «Патомский кратер» высотой около 40 м на северо-востоке Иркутской области, сложенный в основном грубообломочными известняками протерозойского возраста. Отсутствие на поверхности специфических грязевых потоков позволили его охарактеризовать как «газолитокластитовый вулкан» [17]. ![]() По данным сейсмоакустических исследований на сопредельных к юго-западной части Ямала площадях в Байдарацкой губе, проведенных ООО «Питер Газ» при строительстве подводной части магистрального газопровода, широко распространены газосодержащие песчаные грунты, кровля которых залегает под слоем глинистых осадков голоцена на глубинах от 2 до 22 м. При бурении многих скважин ОАО «Газпром» на Бованенковском месторождении (скважины №№51, 54, 58, 64, 65 и др.) из слоя вечной мерзлоты выделялся газ в объемах до 10 – 14 тыс. м3/сут [14]. Наиболее газосодержащим являлся интервал 20 – 90 м, а максимальные газопроявления были на глубине 60 – 70 м в четвертичных отложениях ямальской серии (суглинки, супеси, прослои песков). При этом изотопный состав углерода метана (?13С) обычно менялся в диапазоне от –70,3 до –74,6‰, значительно отличаясь от сеноманского газа Бованенковского и других соседних месторождений (?13С от –46 до –56‰) [14, 18, 19]. Температура?Для объяснения природы происхождения и местоположения обнаруженных воронок несомненный интерес представляет анализ региональных и локальных особенностей термобарических условий. Отметим, что Южно-Карский регион является одним из наиболее удачных для проведения термобарических исследований в связи с большим объемом данных бурения глубоких скважин, расположенных на полуостровах Ямал и Гыдан, далеко врезающихся в акваторию Карского моря (рис. 1).![]() При подготовке массивов данных о пластовых температурах большое внимание уделялось проверке и коррекции входной информации, учитывалось влияние толщи многолетнемерзлых пород (ММП), мощность которой в пределах изучаемого региона изменяется от 0 до 450 м (в районе Бованенково до 200 м). Особое внимание уделялось определению глубины нулевой температуры. Все значения температур проходили контроль на степень их достоверности, осуществляемый в процессе анализа условий их замера и сопоставления с основными трендами поведения статистических зависимостей в пределах скважины, площади (месторождения) и группы близко расположенных площадей. ![]() По программам Президиума РАН в 2009 – 2010 гг. нами проводилось трехмерное математическое моделирование термобарических условий в Южно-Карском регионе в пакете Tigress компании Geotrace (В.И. Богоявленский и др., 2009 – 2010) [1, 2, 20]. При этом были загружены данные пластовых температур, полученных в скважинах более чем 60 месторождений и площадей материковой суши, островов Свердруп и Белый, акватории Обской и Тазовской губ и Карского моря (Русановское и Ленинградское месторождения) (рис. 3). ![]() Рис. 3. Южно-Карский регион. Графики пластовых температур и давлений ![]() Рис. 4. Кровля газоносных отложений сеномана для района Бованенковского, Крузенштернского и Харасавэйского месторождений ![]() Из локальных особенностей результатов проведенного моделирования в первую очередь выделим четыре наиболее сильные позитивные аномалии пластовых температур в районах Харасавэй-Крузенштернское, Нерстинско-Нейтинское, Новопортовско-Каменномысское и Уренгой-Медвежье. Наличие этих аномалий объясняется нами главным образом подтоком глубинных флюидов по системам субвертикальных трещин и разломов, доходящих в ряде случаев практически до поверхности земли. Кроме того, возможен и подток флюидов в субгоризонтальном направлении со стороны Урала в северо-восточном направлении. Самые высокие температуры на глубинах 750 – 1500 м выявлены на Нерстинско-Нейтинской площади (рис. 3, 5), при этом необходимо отметить ограниченный объем точечных замеров температур на Нерстинской и Байдарацкой площадях. Здесь на глубине -1000 м температуры достигают 41 – 45 °С, что значительно выше, чем на Бованенковской площади (30 – 36 °С). Образование в данном районе сильной аномальной зоны, прослеживаемой до максимальной глубины моделирования (-4500 м), обосновывается рядом фактов, изложенных ниже. ![]() При постоянном подтоке глубинного газа в сеноманскую залежь Нейтинского месторождения она по объему газа намного меньше, чем на соседних месторождениях, что объяснимо возможной утечкой газа по выявленным системам разломов на поверхность. Именно на Нейтинско-Нерстинской площади существует разлом (показан на рис. 5 красным цветом) – единственный на Ямале, отмеченный на Геологической карте России и прилегающих акваторий (МПР, 2008). Свидетельством подтока глубинных газов до залежи сеномана Нейтинского месторождения является наличие экстремально тяжелого изотопного состава углерода метана ?13С –38,8‰ [18, 19, 21] более характерного в Ямал-Гыданском регионе для комплексов юры и нижней части мела. Газы сеномана соседних площадей характеризуются другими значениями ?13С: –47,6‰ для Бованенковского месторождения, от –53,2 до –56,5‰ для Арктического, Харасавэйского и Крузенштернского месторождений [18, 19]. В практически ненарушенном разломами Малыгинском месторождении газ сеномана имеет ?13С 65,36‰ [18, 19]. ![]() Рис. 5. Южно-Карский регион. Карта современных температур на уровне – 1000 м ![]() В значительной части Баренцева и Карского морей ММП оттаяли или находятся в стадии деградации. На дне многих площадей, включая Штокмановское ГКМ и свод Федынского, выявлены многочисленные впадины-воронки, называемые в зарубежной научной литературе покмарками (pockmarks). Наиболее крупные депрессии превышают 1 км в диаметре и 30 м в глубину. По нашему мнению, образование покмарок таких размеров наиболее вероятно за счет проседания донных отложений при диссоциации газогидратов или термокарстовых процессах с протаиванием придонных массивов палеольда и гидролакколитов (pingo remnant). ![]() В ряде случаев на профилях высокоразрешающей сейсморазведки (ВРС) наблюдаются подходящие к покмаркам субвертикальные разрывы сплошности сейсмических отражающих горизонтов, соответствующие каналам миграции газа – «газовым трубам» (gas pipes, chimneys). Кроме того, по данным ВРС, эхолотов и другого гидроакустического оборудования в водной толще нередко наблюдаются «газовые факелы» (сипы), что рассматривалось в ряде работ [3 – 7, 22 – 25]. По данным ВРС, практически на всех акваториях Арктики выделяются многочисленные неглубокие залежи газа («газовые карманы» – gas pockets) и зоны газонасыщенных осадков [3 – 7, 22, 25, 26], представляющие опасность для бурения и являющиеся своего рода минами замедленного действия. Активизации газовых факелов и выбросов (выхлопов) газа способствуют деградация ММП, являющихся хорошей покрышкой углеводородов, и землетрясения. Землетрясения?В настоящее время Геофизическая служба (ГС) РАН - основная российская организация, ведущая контроль сейсмических событий (землетрясения), имеет очень ограниченную сеть сейсмологических станций в Арктике и может надежно идентифицировать в Баренцево-Карском регионе землетрясения магнитудой свыше 3,5 – 3,9 (рис. 6 – красный цвет), что неприемлемо для обеспечения мониторинга сейсмической обстановки в районах размещения опасных объектов (нефтегазопромыслы и др.) [4, 5, 23, 27]. За счет этого создается ошибочное впечатление об асейсмичности данного региона и большей части Северного Ледовитого океана. При этом на полуострове Ямал и во всем ЯНАО сейсмические станции вообще отсутствуют.![]() Рис. 6. Землетрясения и геоморфологическая обстановка в Арктике Выбросы газаМноголетний опыт показал, что выбросы газа могут привести к серьезным повреждениям буровых установок, нефтегазовых промыслов и подводных трубопроводов. Известны случаи нахождения затонувших судов, лежащих на дне покмарок. В частности, BGS (Британская геологическая служба) обнаружила в Северном море на площади South Fladen в одной из крупных покмарок, названной ими Witch’s Hole (Отверстие ведьмы), затонувший траулер начала ХХ века. Одним из основных объяснений гибели судна является то, что оно затонуло в результате газирования воды (изменения ее плотности) при дегазации или разовом выходе (выхлопе) газа из покмарки. Возможно и противоположное объяснение – выхлоп газа и образование покмарки произошли под действием удара тонущего судна о дно. По теории вероятности оказаться свидетелем крупного природного выхлопа газа – большая редкость и удача, если событие не завершится трагедией, как это было с японским исследовательским судном Kaiyo-Maru №5 (Hydrographic Department of the Japanese Maritime Safety Agency), затонувшем при выбросе газа из подводного вулкана в 1953 г. (погиб весь экипаж – 31 человек). В 1981 г. в результате выброса газа и газирования воды при бурении скважины в Южно-Китайском море с судна Petromar-5 оно перевернулось и затонуло. В 1995 г. при разбуривании Pingo произошла подобная ситуация в Печорском море с буровым судном «Бавенит» ОАО АМИГЭ – к счастью, трагедии удалось избежать [4, 5, 22].![]() В 1985 г. в Норвежском море в процессе бурения первой поисковой скважины полупогружной буровой установкой (ППБУ) «West Vanguard» на глубине воды 240 м на месторождении Mikkel произошел мощный выброс метанового газа из неглубокой (300 м) залежи в песчанике. Воспламенение газа повредило и вывело из строя ППБУ, при этом погиб член экипажа. Активное газовыделение продолжалось около двух месяцев. В результате этого нефтегазоконденсатная залежь месторождения Mikkel в юрских песчаниках на глубине около 2500 м была открыта только спустя два года, а ее разработка началась через 16 лет после открытия. ![]() Другим примером является выброс азотного газа с образованием гигантского кратера – покмарки Figge-Maar в Северном море в 1963 г. при бурении на глубине воды 34 – 35 м с СПБУ «Mr. Louie» на площади German Bight. Впечатляют размеры образовавшейся покмарки: диаметр 400 м, глубина 31 м [28]. Последующие исследования покмарки Figge-Maar показали ее быстрое заполнение осадками – в 1981 и 1995 гг. глубины составляли 22 и 14 м. Это свидетельствует, что геологический возраст многих выявленных покмарок незначителен – до нескольких десятков или сотен лет. Воронки ждут исследователейСуществование ММП привело к отсутствию возможности диссипации (рассеивания) газов и накапливанию огромных объемов газа в ВЧР, в том числе и в термокарстовых полостях. Давления накопившегося газа в ряде мест оказалось достаточно для разрушения покрывающей толщи ММП, при этом произошел выброс разрушенной части породы за счет действия пневматического или газовзрывного механизмов с образованием брустверов. Две воронки (В1 и В2) расположены в единой зоне максимального прогрева нижней части криолитозоны глубинными флюидами, что в дополнение к влиянию на ее кровлю глобального потепления ослабило прочностные свойства ММП, являющихся региональным экраном (покрышкой) для вертикальной миграции углеводородов.![]() Воронки Ямала по своей сути подобны покмаркам, многие тысячи которых выявлены на акваториях Арктики и Мирового океана. При выбросах (выхлопах) газа в криолитозоне Арктики мы не исключаем возможности самовоспламенения газа, что нередко бывало при извержениях грязевых вулканов, выбросах газа в угольных шахтах и при строительных работах в Санкт-Петербурге. ИА «Север-Пресс» опубликовало информацию о том, что в третьей воронке (рис. 1 – В3) был взрыв 27 сентября 2013 г., за которым последовало землетрясение (http://sever-press.ru). Видимо, газовзрывной механизм сработал на месте четвертой воронки, названной в прессе «Воронка Таймыра» (рис. 1 – В4), о чем свидетельствуют огромные обломки ледогрунта около ее жерла и разлет небольших обломков на расстояние до 900 м. ![]() Являются ли воронки (покмарки) суши и акваторий Арктики результатом однократного выброса (выхлопа) газа или периодических (многократных) выхлопов из-за постоянного подтока газа из глубины по «газовым трубам», подобно грязевым вулканам? Какие районы и при каких условиях являются наиболее опасными? На эти важные для безопасного функционирования северных городов и инфраструктуры нефтегазодобывающих комплексов вопросы можно ответить только проведя специальные геофизические исследования. При размещении нефтегазовых промыслов, трубопроводов и населенных пунктов в районах возможного образования воронок (покмарок) рекомендуется проведение перманентных сейсмологических исследований на локальном уровне с установкой не менее трех сейсмостанций. Кроме того, необходим мониторинг состояния криолитозоны с выявлением существующих и зарождающихся потенциально опасных объектов (булгунняхи pingo и др.) возможных мощных выбросов подземного газа (газовые карманы) с применением комплекса геофизических методов, включая ВРС и электроразведку. Литература
References
Комментарии посетителей сайтаФункция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей
|
![]() Авторизация Ключевые слова: Арктика, Ямал, Таймыр, воронки, кратеры, покмарки, грязевые вулканы, газогидраты, выбросы газа, катастрофы, Бованенковское месторождение, криолитозона, булгунняхи, пинго, термокарст, термобарическое моделирование Keywords: Arctic, Yamal, Taimyr, cones, craters, pockmarks, mud volcanoes, gas-hydrates, gas blowouts, catastrophes, Bovanenkovskoye oil and gas field, permafrost zone, pingos, thermokarst, thermobaric modeling
Просмотров статьи: 7717 |