Выбросы газа и нефти на суше и акваториях Арктики и Мирового океана

Oil and gas emissions on land and offshore areas of the Arctic and World ocean

V. Bogoyavlensky, Oil and Gas Research Institute of the Russian Academy of Sciences (OGRI RAS)

Для повышения достоверности прогнозов потенциальных чрезвычайных событий в Арктике необходимо изучение космоснимков в комплексе с проведением экспедиционных исследований выявленных природных объектов, включающих воронки газовых выбросов, подобных им по форме и местам образования глубоких озер – возможных палеократеров газовых выбросов, а также иных потенциально опасных объектов.

Formation of gas deposits in the upper part of section of natural and man made emissions (blowouts) of oil and gas to the earth’s surface and in offshore environment are considered. The results of studies of deep lakes and craters of gas emissions (blowouts) in the Yamal Peninsula according to space and field research are given

Стихия правит бал

Добыча нефти и газа в Арктике давно является основой экономического развития Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО), Ненецкого автономного округа (НАО) и Аляски (США), достигая в двух указанных российских регионах, по данным местной администрации, соответст­венно, около 83 и 98% от валового продукта в 2012 – 2013 гг. Из-за экстремально сложных природно-климатических условий Арктики освоение морских месторождений нефти и газа развивается гораздо медленнее, чем в других, более доступных, регионах Мирового океана. Это позволило избежать крупных аварий и катастроф со значительными загрязнениями акваторий Арктики углеводородами (УВ), тогда как на сопредельной суше и в других регионах мира (Мексиканский залив, Северное море и др.) они происходят настолько часто, что мы начинаем к этому привыкать, хотя это недопустимо, так как идет разрушение нашего дома – планеты Земля [1 – 7].
Самые распространенные аварии и катастрофы на морских промыслах (44,7% случаев) связаны с фонтанными выбросами УВ (чаще всего газообразных) при бурении поисково-разведочных и эксплуатационных скважин (Den Norske Veritas, 2011). Большая часть выбросов УВ (57%) завершается возгоранием. При этом гибнут люди, уничтожаются буровые установки и промыслы. По данным Ростехнадзора, в последние годы на суше России среднее число неконтролируемых выбросов составило 5,5, а взрывов и пожаров – 5,1.
Наиболее сильными и опасными являются выбросы из залежей с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД), нередко превышающими гидростатические в полтора-два раза. Большую опасность представляют выбросы газа из широко распространенных неглубоких небольших природных залежей в ВЧР (верхняя часть разреза – несколько сотен метров), называемых во многих публикациях газовыми карманами. При этом газ может иметь биогенное (микробиальное) или катагенетическое (глубинное) происхождение, а скопления (залежи) газа могут быть в свободном или газогидратном состояниях [1 – 6, 8]. Бурение скважин через такие залежи неоднократно приводило к аварийным и катастрофическим выбросам газа. 27 августа 1981 г. при бурении скважины с бурового судна (БС) Petromar V (построено в 1963 г. в США) на шельфе Индонезии в Южно-Китайском море из-за выброса газа из неглубокой залежи по заколонному пространству была нарушена его плавучесть, судно перевернулось и затонуло.
8 сентябре 1983 г. при бурении скважины №4 с самоподъемной буровой установки (СПБУ) «60 лет Азербайджана» на площади Ракушечная-море в казахском секторе Каспийского моря с глубины 511 м произошел выброс газа из небольшой залежи (газовый карман) с грифонообразованием, приведшим к потере устойчивости опор платформы, к ее опрокидыванию и затоплению 9 сентября на глубине 43 м. Повторные выходы газа наблюдались неоднократно, в том числе 12 сентября 2012 г.
В 1991 г. в Баренцевом море из-за аварийного выброса газо-водяной смеси высотой 40 м было остановлено бурение с полупогружной буровой установки (ППБУ) «Шельф-8» скважины «Лунинская-1». В 1995 г. при бурении инженерно-геологических скважин с БС «Бавенит» ОАО АМИГЭ в Печорском море в 60 – 70 км к западу от острова Вайгач на одном из поднятий в рель­ефе дна под 6 м толщей донных осадков обнаружен интервал ледогрунта (льдистость около 90%) мощностью более 90 м, являющийся по своей природе гидролакколитом, или проще говоря, бугром пучения, ядро которого состоит изо льда (В.Н. Бондарев и др., 2004). При бурении на соседнем поднятии после небольшой мерзлой толщи микулинских глин была вскрыта песчаная залежь газа, выброс которого в водную толщу создал аварийную ситуацию для бурового судна: перестали работать главный и вспомогательный двигатели, нарушилась плавучесть судна, вышла из строя система динамического позиционирования, что привело к смещению судна с точки бурения и обрыву буровой колонны. Газирование продолжалось несколько суток с постепенным затуханием.
В качестве самого свежего примера приведем выброс и возгорание газа на Бованенковском НГКМ (нефтегазоконденсатное месторождение) при бурении инженерной скважины на глубине 90 м, произошедшие 17 мая 2015 г. Огненный факел достигал 15 м, но к вечеру погас, что свидетельствует о небольших размерах газового кармана (Красный Север, №39, 20 мая 2015 г.). При этом, как показал опыт бурения скважин в криолитозоне Ямала, газ в интервале 0 – 110 м обычно представлен метаном (98 – 99,8%) биогенного происхождение [8].

Поиск ведет наука

Кроме эмиссии вредных газов в атмосферу за счет изменения плотности воды сипы газа могут угрожать безопасности судоходства и проведению геологоразведочных работ с плавучих буровых установок.

В результате комплексного анализа материалов региональных сейсмопрофилей МОГТ общей протяженностью 4249 тыс. пог. км, отработанных ОАО ДМНГ на шельфе Охотского моря в 1998 – 2009 гг., выделено 216 объектов в ВЧР, из которых однозначными газовыми карманами признаны 160 (74,1%), весьма вероятными – 38 (17,6%) и возможными – 18 (8,3%) [6]. Среднее расстояние между выявленными объектами составляет около 20 км, при этом выделяются зоны их повышенной и пониженной концентрации. Во многих случаях на одном участке профиля в ВЧР одновременно существуют несколько расположенных друг над другом отдельных залежей газа (рис. 1), имеющих вертикальную подпитку по газоподводящим каналам (разломы и трещиноватые зоны), уходящим на большие глубины. Покрышками рассматриваемых залежей газа обычно являются глинисто-суглистые пропластки, но также могут быть палеомерзлые породы, распространенные на многих акваториях Арктики, и залежи газогидратов, существование которых при благоприятных термобарических условиях доказано во многих акваториях Мирового океана.
В рельефе дна практически всех акваторий мира широко распространены локальные округлые углубления (pockmarks – покмарки), в основном связанные с подводными выходами газа, которые могут быть разовыми (пневматические выхлопы – выбросы), периодическими или перманентными с формированием действующих грифонов газа [1 – 6, 9, 10]. В неглубоких залежах газа часто существуют АВПД, от уровня которых зависит энергия высвобождающегося газа при разрушении покрышек (глинистые отложения, палеомерзлые породы) и размеры образующихся покмарок – кратеров. Диаметры покмарок достигают нескольких десятков и даже сотен метров, а глубины – нескольких десятков метров. Очевидно, что выбросы газа с образованием кратеров могут привести к серьезным повреждениям нефтегазовых промыслов и подводных трубопроводов. Большое количество покмарок выделено на дне Штокмановского месторождения, на нефтегазоперспективном своде Федынского и других площадях Баренцево-Карского региона.

Однозначным объяснением причин образования воронок являются выбросы газа из ВЧР, представленной криолитозоной, т.е. по своей природе они аналоги известных морских покмарок.


Изучение районов природных выходов (сипов) неф­ти и газа на поверхность суши и акваторий имеет большое значение при экологических исследованиях, прогнозировании мест размещения месторождений УВ и повышения безопасности их освоения. Крупнейшее на шельфе Мексики месторождение Cantarell получило свое название в честь рыбака, обнаружившего пятно нефти и настоявшего на проведении геологоразведочных работ. На рис. 2 приведена карта с размещением зафиксированных природных и природно-техногенных сипов нефти и газа на поверхность суши и акваторий Мирового океана (зеленый и красный цвета). Созданная в ИПНГ РАН база данных ГИС включает информацию о более чем 19 тысячах сипов нефти и газа, значительная часть которых расположена в наиболее хорошо изученных акваториях Мексиканского залива и Черного моря (В.И. Богоявленский и др., 2012 – 2014). По данным компании Treico Ltd (G. Lawrence, 2010), выполнившей расчеты объемов нефти, выделяющихся из природных источников на дне Мексиканского залива, ежедневно в воду попадает от 300 до 3000 т нефти, что составляет ежегодно 0,11 – 1,1 млн т, однако экосистема залива адаптировалась к таким выбросам. Арктические моря характеризуются низким уровнем изученности данных явлений, что видно на рис. 2.
В ходе нескольких экспедиций ДВО РАН и во время международной экспедиции на судне Oden в 2015 г. в ряде районов Северного Ледовитого океана выявлены зоны масштабной эмиссии метана (возможно, из распадающихся газогидратов) в атмосферу, что может влиять на глобальные климатические процессы [9, 11]. При этом обнаружены фонтанирующие источники газа («газовые факелы») и крупные участки, на которых вода буквально кипит от выделяющихся газов. Кроме эмиссии вредных газов в атмосферу за счет изменения плотности воды сипы газа могут угрожать безопасности судоходства и проведению геологоразведочных работ с плавучих буровых установок.
Неглубокие природные залежи газа встречаются на всех акваториях Арктики и Мирового океана, а также на прилегающей суше. Часто они расположены непосредственно над нефтегазоконденсатными месторождениями (Киринское, Южно-Киринское, Штокмановское и др.) и имеют с ними гидродинамическую и генетическую связи. Большую опасность представляют возможные выбросы газа и нефти из техногенных залежей, образовавшихся за счет флюидоперетоков по заколонному пространству скважин, что уже неоднократно приводило к катастрофам (месторождения – Dos Cuadras, Elgin, Кумжинское, Бованенковское и др.). Ряд примеров катастрофических выбросов газа на шельфе приведен в работах [1, 4].

Кратеры выброса газа

на суше Арктики

29 июня 2010 г. во время полета на вертолете южнее Бованенковского месторождения около крупного озера В.С. Якушевым был обнаружен объект, имеющий вид кратера (воронки), фотография которого публикуется впервые (рис. 3). Судя по всему, рис. 3 представляет собой первую известную фотографию кратера выброса газа на Ямале, найденный аналог которого в 2014 г. привлек внимание прессы и людей всего мира. К сожалению, координаты данного кратера, названного в нашей базе ГИС «Якушевский», неизвестны, и его поиски по космоснимкам, проводимые в ИПНГ РАН, пока не увенчались успехом. Однако по представленной фотографии можно судить, что он однозначно связан с буграми пучения, расположенными вблизи крупного озера. При этом поверхность земли и вода вокруг кратера оказались загрязненными выброшенной породой.
Летом–осенью 2014 г. было выявлено шесть крупных кратеров со следами выброшенной породы на суше Арк­тики в ЯНАО и на севере Красноярского края, при этом точно известны координаты лишь четырех из них [1 – 4]. 25 августа 2014 г. автор вместе со специалистами некоммерческого партнерства «Российский центр освоения Арктики» (РЦОА, г. Салехард) принял участие в экспедиции на Ямале, организованной по инициативе губернатора ЯНАО Д.Н. Кобылкина, для выяснения причины образования гигантской воронки (рис. 4), расположенной в 30 км к югу от Бованенковского месторождения и в 3,5 км от магистрального газо­провода высокого давления и получившей в нашей базе данных индекс В1. Проведенные нами замеры показали следующие параметры воронки В1: по внешнему краю ее диаметр около 37 м, по внутреннему – не больше 25 м, а глубина от края бруствера до уровня воды 35 м и около 40 – 45 м до дна (последнее с учетом падения породы на дно). При сравнении с данными первого обследования, выполненого 17 июля, было отмечено, что уровень воды на дне воронки явно поднялся на несколько метров.
Первые результаты исследований природы происхождения кратеров опубликованы автором в журнале «Бурение и нефть» №9 и 10 за 2014 г. [1, 2]. Однозначным объяснением причин образования воронок являются выбросы газа из ВЧР, представленной криолитозоной, т.е. по своей природе они аналоги известных морских покмарок. Однако толща многолетнемерзлых пород, выполняя функцию регионального флюидоупора (покрышки), препятствует свободной вертикальной миграции газа даже в районах разломов и способствует их накапливанию в подмерзлотных и внутримерзлотных коллекторах, а также переориентирует флюидопотоки потоки в субгоризонтальном направлении. Наличие на пути миграции газа таликов приводит к его выходу на поверхность, что неоднократно наблюдалось в ряде озер ЯНАО, в том числе и автором данной работы [2, 12, 13]. При этом газ способен разорвать и выбросить на поверхность малопроницаемые глинистые и суглингистые покрышки на дне озер и маломощные замороженные покрышки таликов, образовавшихся на дне бывших озер (хасыреи) в виде бугров пучения (булгунняхи – pingo). В четырех случаях доказано, что именно эти объекты были до выброса газа на месте воронок [1 – 4]. Гладкий характер почти вертикальных стенок кратеров В1 и В3 (Антипаютинский [1]) и наличие рваных конических краев в их верхней части около бруствера свидетельствуют о том, что взрывом была разрушена только верхняя часть бугров пучения (покрышка), а первоначальное наличие небольшого объема воды на дне кратеров В1 и В3 говорит, что их полость перед взрывом была заполнена газом. Результаты математического моделирования для объекта В1 [7] показали, что для разрушения мерзлой покрышки мощностью около 8 м достаточно даже относительно небольшого давления в 12,5 атм.
8 – 10 ноября 2014 г. была проведена зимняя экспедиция на воронку В1 с целью дополнительных исследований, в том числе на дне кратера, что возможно только в зимнее время, когда бруствер воронки замерзает и прекращается его разрушение с падением крупных кусков породы в кратер, угрожающим работе исследователей. Кроме того, значительная часть местности вокруг воронки В1 заболочена, что затрудняет проведение геолого-геофизических изысканий. 8 ноября члены экспедиции, возглавляемой директором РЦОА В.А. Пушкаревым, впервые в мире спустились в кратер газового выброса (рис. 5). При этом были взяты образцы пород, слагающих стенки кратера, оказавшихся практически чистым льдом. Внутри кратера были проведены георадарные исследования (ЗАО «Таймер»), доказавшие наличие субвертикального канала (видимо, разлом), по которому, возможно, мигрировал газ, взорвавший булгуннях В1.
В 10 км к югу от Бованенковского НГКМ расположен еще один уникальный объект, закодированный в создаваемой нами базе ГИС как В2, первоначально имевший вид крупного бугра пучения (рис. 6-а), как и объект В1. Анализ имеющихся космоснимков свидетельствует, что на данном объекте было несколько разновременных выбросов газа разной мощности, на месте которых образовалось одно большое (100х50 м) и более 35 малых озер (рис. 6-б).
Очевидно, что крупные выбросы газа с образованием воронок взрыва, подобных описанным выше, способны вызвать аварийные и катастрофические последствия на объектах нефтегазового комплекса, в том числе на трубопроводах. Не вызывает сомнений, что в арктической зоне России, богатой углеводородными ресурсами, во многих районах существуют природные притоки газа в зону ММП и выходы газа на поверхность земли и в водную толщу озер, рек и акваторий Северного Ледовитого океана. Вероятно, что многие глубокие озера округлой формы на полуостровах Ямал и Гыдан имеют генезис кратеров газового выброса, затопленных после их образования водой (рис. 7). Нередко эти озера расположены рядом с крупными реками и озерами. На рис. 7 показан пример выявленного нами озера диаметром около 95 м (объект №33), расположенного у реки Морды-Яха южнее Бованенковского НГКМ на широте около 700 (космоснимок из системы Bing Microsoft.) При этом вокруг озера на расстоянии до 70 – 150 м наблюдается явное нарушение растительности (светло-коричневый цвет), возможно, обусловленное выброшенной суглинистой породой (остатки бруствера?).
На основе анализа космических снимков в ИПНГ РАН создается ГИС-проект, включающий потенциальные палеократеры газовых выбросов и объекты, которые, возможно, угрожают современными выбросами и представляют несомненный интерес для дальнейших исследований.
На рис. 8-а приведен космоснимок (система Bing Microsoft) одного из крупных озер (средний диаметр около 600 м), расположенного в 10 км южнее Бованенковского месторождения на широте около 700. Вокруг этого озера, названного нами Кратерным (объект №72), наблюдается ряд небольших и крупных озер (последние находятся за пределами приведенного снимка). Все эти озера характеризуются чистой водой. Абсолютно чистая вода в озере (рис. 8-а) позволяет увидеть на его дне несколько глубоких каналов (кратеров) диаметром от 20 до 100 м, выделяющихся почти черным цветом, свидетельствующим об их значительной глубине. Один из них расположен в юго-западной прибрежной части и имеет размеры 60х100 м. Особый интерес вызывает то, что на другом космоснимке (данные системы Here) вода в Кратерном озере стала мутной (рис. 8-б), в то время как на всех прилегающих озерах она осталась по-прежнему чистой. Причем источник загрязнения озера однозначно связан с юго-западным каналом. Наиболее вероятным объяснением является то, что из этого канала произошел выброс газа, поднявший придонные илистые отложения.
При анализе космоснимков южнее Бованенковского месторождения выявлена группа небольших загадочных озер, объединенной единой гидросистемой с формированием необычных гирлянд (рис. 9). Генезис этих озер еще предстоит исследовать, но они, возможно, имеют причинно-следственную связь с системами разломов в ВЧР (районы пересечения ортогональных систем разломов?), зонами вытаивания жильного льда (термокарсты) и приуроченным к ним кратерам выброса газа.
Для повышения достоверности прогнозов потенциальных чрезвычайных событий в Арктике необходимо продолжение анализа космических снимков в комплексе с проведением экспедиционных исследований выявленных объектов, включающих воронки газовых выбросов, подобных им по форме и местам образования глубоких озер – возможных палеократеров газовых выбросов, а также потенциально опасных объектов. Среди последних мы особенно выделяем многочисленные бугры пучения (булгунняхи), возможно, угрожающие выбросом газа. Необходимость «проведения комплексных научных исследований по изучению опасных природных явлений» подчеркивается в «Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», утвержденной Президентом России 20 февраля 2013 г. (п. 14-е и др.).

Литература

1. Богоявленский В.И. Угроза катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала // Бурение и нефть. 2014. №9. С. 13 – 18.
2. Богоявленский В.И. Угроза катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала. Часть 2 // Бурение и нефть. 2014. №10. С. 4 – 8.
3. Богоявленский В.И. Богоявленский В.И. Чрезвычайные ситуации при освоении ресурсов нефти и газа в Арктике и Мировом океане // Арктика: экология, экономика. 2014. №4. С. 48 – 59.
4. Богоявленский В.И. Арктика и Мировой океан: современное состояние, перспективы и проблемы освоения ресурсов углеводородов. Труды Вольного экономического общества, т. 182. М.: Изд-во. ВЭО, 2014. №3. С. 12 – 175.
5. Богоявленский В.И., Мажаров А.В., Пушкарев В.А., Богоявленский И.В. Выбросы газа из криолитозоны Ямало-Ненецкого автономного округа // Арктические ведомости. 2014. №4 (12). С. 60 – 66.
6. Богоявленский В.И., Керимов В.Ю., Ольховская О.О. Опасные газонасыщенные объекты на акваториях Арктики и других морей России / Сб. материалов Всерос. конф. «Арктика – нефть и газ 2015», DVD. 4 c.
7. Богоявленский В.И., Гарагаш И.А. Математическое моделирование процесса образования кратеров газового выброса в Арктике / Сб. материалов Всерос. конф. «Арктика – нефть и газ 2015», DVD. 4 c.
8. Якушев В.С. Природный газ и газовые гидраты в криолитозоне. М.: ВНИИгаз, 2009. 192 с.
9. Сергиенко В.И., Лобковский Л.И., Семилетов И.П. и др. Деградация подводной мерзлоты и разрушение гидратов шельфа морей Восточной Арктики как возможная причина «метановой катастрофы»: некоторые результаты комплексных исследований 2011 года. Доклады академии наук, том 446, № 3. С. 330 – 335.
10. Judd A., Hovland M. Seabed Fluid Flow. The Impact on Geology, Biology, and the Marine Environment. Cambridge, 2007. 475 р.
11. Хортов А.В., Ананьев Р.А. Международная арктическая экспедиция на научно-исследовательском судне «Оден» // Арктические ведомости. 2015. №1 (13). С. 84 – 93.
12. Крицук Л.Н. Подземные льды Западной Сибири. М.: Научный мир, 2010. 352 с.
13. Кузин И.Л. О природе аномальных озер – показателей углеводородов в глубоких горизонтах осадочного чехла. Проблемы оценки новых зон нефтегазонакопления в основных продуктивных толщах Западной Сибири. С-Пб: ВНИГРИ, 1992. С. 129 – 137.

References

1. Bogoyavlensky V.I. The threat of catastrophic emissions of gas from the cryolithic zone of the Arctic. The Yamal`s craters // Drilling and oil. 2014. No.9. Pp.13 – 18.
2. Bogoyavlensky V.I. The threat of catastrophic emissions of gas from the cryolithic zone of the Arctic. The Yamal`s craters. Part 2 // Drilling and oil. 2014. No.10. Pp.4 – 8.
3. Bogoyavlensky V.I. Bogoyavlensky I.V. Emergency situations during the development of oil and gas resources in the Arctic and the World ocean // The Arctic: ecology, economy. 2014. No.4. Pp. 48 – 59.
4. Bogoyavlensky V.I. The Arctic and the World ocean: current status, prospects and problems of development of hydrocarbon resources. The works of the Free economic society, vol.182. M.: Publ. VEO, 2014. No.3. Pp. 12 – 175.
5. Bogoyavlensky V.I., Mazharov A.V., Pushkarev V.A., Bogoyavlensky I.V. Gas emissions from the cryolithic zone of the Yamal-Nenets Autonomous constituency // Arctic sheet. 2014. No.4 (12). Pp. 60 – 66
6. Bogoyavlensky V.I., Kerimov V.Ju., Olkhovskaya O.O. Dangerous gas-saturated objects on Offshore of the Arctic and other Russian seas / Materials of all-Russian Conference. «The Arctic – Oil and Gas 2015», DVD. 4 p.
7. Bogoyavlensky V.I., Garagash I.A., Mathematical modeling of the process of cratering gas emissions in the Arctic / Materials of all-Russian Conference. «The Arctic – Oil and Gas 2015», DVD. 4 p.
8. Yakushev V.S. Natural gas and gas hydrates in the cryolithic zone. M.: VNIIGAZ, 2009. 192 p.
9. Sergienko V.I., Lobkovskiy L.I., Semiletov I.P., etc. The degradation of submarine permafrost and the destruction of hydrates shelf of East Arctic seas as a potential cause of the «methane catastrophe»: some results of integrated studies in 2011. Reports of Academy of Sciences, volume 446, No.3. Pp. 330 – 335.
10. Judd A., Hovland M. Seabed fluid flow. The impact on geo­logy, biology, and the marine environment. Cambridge, 2007. 475 р.
11. Khortov A.V., Anan’ev R.A. The international Arctic expedition on the research vessel «ODEN» // Arctic sheet. 2015. No.1 (13). Pp. 84 – 93.
12. Kritsuk L.N. Underground ice in Western Siberia. M.: Scientific world, 2010. 352 p.
13. Kuzin I.L. On the nature of the anomalous lakes – as indicators of hydrocarbons in the deep horizons of the sedimentary cover. The problems of assessment new oil and gas accumulation zones in key productive strata of Western Siberia. S-Pb.: VNIGRI, 1992. Pp. 129 – 137.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Богоявленский В.И.

    Богоявленский В.И.

    член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор, заместитель директора по науке, заведующий лабораторией «Шельф»

    Институт проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН)

    Просмотров статьи: 4467

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru