Природные угрозы при освоении ресурсов нефти и газа в Мировом океане: катастрофические оползни в мексиканском заливе

ПРИРОДНЫЕ УГРОЗЫ
Освоению месторождений углеводородов на суше и акваториях Мирового океана угрожает широкий спектр опасных природных явлений, образующих цепи взаимосвязанных событий, нередко приводящих к трагическим последствиям, наносящим огромный ущерб человечеству. Известно множество случаев, когда крупные землетрясения порождали катастрофические цунами (Суматра в 2004 г., Великое Японское землетрясение в 2011 г.), извержения вулканов – землетрясения и цунами, загрязнения атмосферы и изменения климата (Самалас в 1257 г., Кракатау в 1883 и 2018гг.). Возможны разнообразные примеры взаимосвязей (цепей) опасных природных событий, при этом некоторые можно представить схемами: землетрясение – извержения вулканов – цунами – оползень – землетрясение; землетрясение – оползень – цунами, ураган – шторм – оползень и др. [1 – 27].
Оползень (англ. landslide) в ряду опасных природных событий является одним из самых широко распространенных опасных геологических, геоморфологических и геоэкологических явлений. Он связан с геодинамическими процессами на поверхности Земли (включая дно океана), возникающими под действием гравитационных сил. Согласно определению по ГОСТ 22.0.03-97 [6], оползень – «смещение масс горных пород по склону под воздействием собственного веса и дополнительной нагрузки вследствие подмыва склона, переувлажнения, сейсмических толчков и иных процессов», в том числе и диссоциации газовых гидратов.

Образованию оползней способствуют: крутизна склона, наличие наклонных водоносных и водоупорных горизонтов, подмыв склона поверхности земли, диссоциация газовых гидратов с разжижением донных отложений за счет выделения воды и газа, естественные и искусственные сейсмические события, включая удары цунами и мощных волн во время ураганов [1, 7]. Самые крупные оползни происходят в Мировом океане [7].
Основной целью данной работы является анализ уровня субмаринной оползневой опасности при освоении месторождений нефти и газа на акваториях Мирового океана с преимущественным вниманием к Мексиканскому заливу. Выбор данного региона как первоочередного объекта исследований геориска не случаен. Северная часть Мексиканского залива является одним из старейших и важнейших регионов морской нефтегазодобычи в США. В южной и северной частях Мексиканского залива (Мексика и США) произошли две самые крупные природно-техногенные катастрофы по объемам разлива нефти при бурении поисково-разведочных скважин (Ixtoc-1 в 1979 г. и Macondo-1 в 2010 г.) [2, 4].
Регион Мексиканского залива является своеобразным полигоном для опробования новых технологий освоения морских месторождений, ликвидации разливов и выявления недостатков законодательства в области природопользования [3]. В данной статье мы продолжаем начатые нами ранее исследования природных угроз (георисков) при освоении морских месторождений нефти и газа [2 – 5].

ОПОЛЗНЕВЫЕ КАТАСТРОФЫ
Один из крупнейших в мире, оползень Сторегга (Storegga) на континентальном склоне Норвежского моря имеет площадь около 95 тыс. км², объем по разным расчетам от 2400 – 3500 до 5600 км³ и дальность смещения – около 500 км [2, 15, 18]. Оползень произошел около 8200 лет назад, и наиболее вероятно, что триггером для него явились землетрясение и диссоциация газогидратов. Диссоциация залежей газогидратов на свободный газ и воду из-за изменения термобарических условий приводит к потере прочностных свойств грунтов («разжижение») с последующим их сдвигом – оползнем в районах береговых и подводных (в том числе континентальных) склонов.
Оползни неоднократно повреждали морские нефтегазовые промыслы и их инфраструктуру, а также линии межконтинентальных подводных телекоммуникационных связей.
Триггером для оползней в Мексиканском заливе нередко служат сильные ураганы, наносящие урон южной территории США и морским нефтегазодобывающим промыслам. 14 – 22 августа 1969 г. ураган Camille (скорость ветра до 84 – 93 м/с, 304 – 336 км/ч – категория 5) инициировал ряд крупных подводных оползней в восточной части подводного конуса выноса реки Миссисипи [24].
Компания Shell оценила высоту волн в 21 – 23 м. Две установленные в начале года крупные нефтегазодобывающие платформы этой компании, рассчитанные на противостояние ураганам и крупным волнам, устояли против них, но не выдержали смещений донных отложений. Одна из платформ, установленная на глубине около 90 м, получила серьезные повреждения и была смещена на 1 – 2 м, а другая – смещена на 30 м, опрокинута и затоплена. Подобные ситуации случились и с платформами ряда других компаний.

Из-за шторма, порожденного ураганом Camille, подводные трубопроводы получили многочисленные повреждения, однако информация о разливах в опубликованных источниках не обнаружена. Ущерб по платформам был оценен в 100 млн долл. (698,3 млн долл. в ценах декабря 2019 г.), а общий ущерб от урагана составил 1,42 – 1,5 млрд долл. (9,9 – 10,5 млрд долл. в ценах декабря 2019 г.) [9].
В новейшей истории нефтегазодобычи в Мексиканском заливе также происходят подобные катастрофы. В частности, большой ущерб нефтегазовой отрасли нанес ураган Ivan (рис. 1) [20], действовавший в период 2 – 4 сентября 2004 г. с категориями силы ветра от 3 до 5 (максимальная в районе Кубы). 15 сентября в районе Каньона Миссисипи при высоте волн до 30 м ураган уничтожил 7 платформ на глубинах 25 – 146 м и нанес значительные повреждения еще 24 платформам [16]. Многочисленные оползни во время этого шторма повредили ряд других платформ, 5 буровых установок (включая СПБУ «Ensco-64», у которой были разрушены три опоры и буровая вышка) и 102 подводных трубопровода. По данным компании BP, часть ее трубопровода MPOG (Main Pass Oil Gathering) оказалась смещенной оползнем на 580 м. Общий ущерб от урагана в ценах 2017 г. составил 27 млрд долл. (19,7 млрд долл. в ценах 2005 г.) [20].
Платформа MC-20А (номер платформы 23051, высота – 168 м), установленная компанией Taylor Energy Company (далее TEC) [25] в 1984 г. на шельфе в 18 км от побережья Луизианы в дельте Миссисипи на глубине 146 м (28,936N, 88,97W) (рис. 2 и рис. 3), была перевернута и захоронена оползнем, инициированным давлением и ударами штормовых волн. По типу она относится к «жестко прикрепленной ко дну платформе» (fixed-leg platform) на 8 несущих опорах (сваях). Аббревиатура MC-20A происходит от приуроченности к Каньону Миссисипи (Mississippi Canyon) и номера участка (блока) – 20A. Согласно рис. 2, она расположена в пологой части начала континентального склона.
Накануне прихода урагана Ivan на платформе TEC MC-20A было 28 наклонно-направленных нефтегазодобывающих скважин, при этом в 18 велась добыча, 7 были остановлены и 3 ликвидированы. Оползень сместил с места и завалил набок платформу, оторвал трубы, идущие к скважинам от платформы, согнул трубопровод под углом почти 90° и накрыл его толстым (до 46м) слоем переотложенных осадков (рис. 4). После обрушения платформа была обнаружена лежащей горизонтально на глубине 134 м в 170 м от первоначального места. При этом она была частично (на 30 м) захоронена донными отложениями.
Вскоре после урагана над местом крушения этой платформы были обнаружены сипы нефти и газа, которые, несмотря на большие усилия по остановке протечек из порванных и захороненных осадками стволов скважин, продолжаются в настоящее время [12]. Контролирующими и регулирующими органами США (MMS – Minerals Management Service, BOEM – Bureau of Ocean Energy Management, BSEE – Bureau of Safety and Environmental Enforcement, USCG – U.S. Coast Guard) через ряд судебных заседаний [11, 21] было предписано TEC убрать остатки платформы, зацементировать и ликвидировать скважины до конца 2008 г., когда у нее заканчивался срок лицензии на этот участок.
Основной владелец TEC Патрик Тейлор умер через два месяца после катастрофы. В течение пяти лет все основные активы компании были проданы. Попытки TEC раскопать с помощью дноуглубителя 25 неликвидированных стволов скважин для их ликвидации оказались неудачными. К 2010 г. было ликвидировано 9 скважин, и компания попросила разрешения не ликвидировать оставшиеся 16 скважин, аргументируя просьбу тем, что они надежно запечатаны толстым слоем оползневой породы. Верхняя и нижняя части платформы были подняты в июле 2011 г. и утилизированы. Над местами протечек нефти и газа были установлены сборные купола, частично улавливающие нефть. По состоянию на 2014г. на ликвидацию последствий катастрофы TEC было затрачено 435 млн долл. [26], однако работы далеки от завершения.
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса является надежным методом выявления и мониторинга развития разливов нефти. При этом данные радиолокационной съемки практически не имеют ограничений по времени суток и облачности. С использованием данных ДЗЗ со спутников Европейского космического агентства ESA (European Space Agency) [23] и других доступных источников авторами составлен монтаж оцифрованных сликов нефти (рис. 5), краткая характеристика которых приведена в табл. 1. Расчетные площади сликов на рис. 5 изменяются от 10,4 до 68,8 км². Различные направления распространения сликов нефти обусловлены изменением розы ветров, а их площадь зависит от силы ветра и объемов извергаемой нефти. Отметим, что в работе [19] упоминаются изменения размеров сликов от 15 км² до максимально зафиксированного – 1900 км².

Исследования сипов углеводородов [16] показали, что они рассредоточены на дне на площади около 30 тыс. м², при этом были выявлены два основных выхода нефти около основания лежащей платформы (на удалениях около 170 м от устьев скважин). Выход газа обнаружен в непосредственной близости от устьев скважин. Такая специфика, видимо, обусловлена выходом газа по заколонному и разрушенному межколонному пространствам. 23 мая 2009 г. три места основных сипов нефти и газа были накрыты тремя улавливающими куполами, которые лишь частично решили проблему утечки нефти в воду.
По данным BSEE и других контролирующих органов, объемы разливов нефти на месте катастрофы постоянно меняются в диапазоне 1 – 55 барр. в сутки (365 – 20075 барр. в год или 50 – 2750 т/год) [16]. В работе [16] обосновано, что значительная часть нефти распадается в водной толще, не доходит до поверхности моря и не учитывается при оценке объемов разлива. В последние годы было обнаружено, что протечки по разным данным в объеме от 30 до 700 барр. в сутки (4 – 96 т/сут или 1,5 – 35 тыс. т/год) продолжаются [8]. Максимальные оценки сипов нефти даны в работе [19] – 48 – 1700 барр. в сутки (6,6 – 233 т/сут или 2,4 – 85 тыс. т в год).
По мнению авторов, весьма вероятно, что меняющиеся размеры сликов связаны не только с силой ветра, но и с импульсным характером выбросов, обусловленных вулканическим механизмом природно-техногенного генезиса [5]. Нефть может накапливаться в приповерхностной оползневой толще или в донных отложениях в песчаных резервуарах или полостях, из которых за счет роста пластовых давлений происходят периодические извержения значительных объемов нефти, дополняющих постоянные небольшие сипы.
Под эгидой Береговой охраны США (USCG) луизианской компанией Couvillon Group была разработана специальная система сбора нефти RRS (Rapid Response Solution), установленная в апреле 2019 г. над местами активных сипов нефти TEC MC-20A [28]. За один год работы она собрала значительную часть выходящей нефти – более 1420 м³ (около 1200 т).
Разлив на месте катастрофы платформы TEC МС-20А оказался многократно больше, чем первоначально предполагали многие эксперты. Он уже вошел в десятку самых крупных разливов в Мексиканском заливе и стал самым продолжительным в истории США [13]. BSEE признало, что выполненных TEC ликвидационных работ недостаточно для остановки выходов нефти, и если они не будут ликвидированы, утечки будут продолжаться более 100 лет [21]. С учетом этого, катастрофа TEC MC-20А рано или поздно установит мировой рекорд по объему разлива.

АНАЛИЗ УГРОЗЫ ОПОЛЗНЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УГЛА НАКЛОНА ДНА
Авторы провели анализ уровня оползневой угрозы в районе дельты реки Миссисипи на основе картографических схем углов наклона морского дна с использованием новых батиметрических данных GEBCO (The General Bathymetric Chart of the Oceans) [14]. Последние представляют собой обновленную в 2019 г. координатную сеть данных (грид) с разрешением 15″×15″ (в два раза выше версии 2008 г.), сформированную по материалам многочисленных исследований батиметрии Мирового океана и собранную воедино специалистами GEBCO. Построения выполнены в программном обеспечении ArcGIS 10.4 (ESRI). При этом картографические схемы углов наклона были рассчитаны с помощью функции Slope.
Результаты расчета углов наклона дна Мексиканского залива в районе дельты Миссисипи (Slope) приведены на рис. 6. Свыше 95 % территории дна характеризуется пологим наклоном (0 – 3°). Исключение составляют отдельные участки в форме колец и полуколец, связанные с солянокупольной тектоникой [10], на которых дно наклонено на 3 – 5° и даже более 5°. По данным расчетов (рис.6) установлено, что рассматриваемое место оползневой катастрофы платформы MC-20А (черный крест) расположено на участке с углом наклона дна 0,5 – 1°. Оползню способствовали слабо консолидированные осадки дельты Миссисипи, а триггером послужили мощные удары штормовых волн.
В результате комплексного исследования [17] построен ряд статистических диаграмм, характеризующих условия образования 260 подводных оползней в Северо-Атлантическом регионе и их размеры. При этом установлено, что на диаграмме распределения углов наклона дна максимум расположен около 5°, а ряд оползней зафиксирован при углах менее 1°. По данным [18, 22], морские склоны дельт рек нестабильны и могут образовать оползни на любой глубине, даже при очень небольших углах наклона дна (от 0,5°). По мнению академика В.В.Адушкина, «оползни могут происходить практически на любых склонах» [1].
Очевидно, что для конкретной акватории наиболее опасные места подводных оползневых процессов связаны не только с углами наклона дна, но и со степенью консолидации донных отложений и наличием газовых гидратов, диссоциация которых разжижает донные отложения и делает их нестабильными.

ВЫВОДЫ
В результате исследований особенностей геоморфологии дна Мексиканского залива с учетом исторического опыта освоения месторождений, а также выявленных оползней на дне акваторий Атлантического океана, установлен значительный риск повреждения и/или уничтожения стационарных нефтегазодобывающих платформ и подводных трубопроводов даже при небольших углах наклона дна 0,5 – 1°. Особенно высок риск в подводных каньонах крупных рек. Отметим, что в районе дельты Миссисипи под угрозой разрушения оползнями продолжают функционировать многие десятки платформ.
Не вызывает сомнений, что землетрясения, ураганы, штормовые волны и цунами являются триггерами оползневых процессов. Существование субмаринной криолитозоны и газовых гидратов усиливает риск возникновения оползней.
Представляется целесообразным развить начатые исследования оползневой опасности применительно к акваториям морей России, в первую очередь, Карского, Баренцева, Охотского и Черного морей.
Работа выполнена по госзаданию ИПНГ РАН по теме «Рациональное природопользование и эффективное освоение нефтегазовых ресурсов арктической и субарктической зон Земли» (№ AAAA-A19-119021590079-6).