Особенности освоения морских месторождений в условиях наличия газа и гидратов в верхней части разреза

Features of offshore field development in the presence of shallow gas and hydrates

R.O. SAMSONOV,
L.A. SAICHENKO,
V.S.WINKLER
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Saint Petersburg Mining University»
St. Petersburg, 199106, Russian Federation

На территории арктического шельфа выявлено такое опасное природное явление как газ и гидраты в верхней части разреза. Данные аномалии создают высокий риск выбросов газа при бурении и эксплуатации, требуют переноса точек заложения скважин, особых технологических и конструктивных решений при их строительстве. Прогноз и предупреждение возникновения аварийных ситуаций является актуальной проблемой, поскольку они могут повлечь за собой катастрофические последствия. Для освоения месторождений, осложненных такими аномалиями, необходимо разрабатывать целенаправленный комплекс мероприятий от разведки до эксплуатации. Выявлять скопления мелкозалегающего газа и гидратов необходимо на ранних этапах, а для безопасной эксплуатации требуется особый подход к обустройству и выбору морских нефтегазовых сооружений.

On the territory of the Arctic shelf, such a dangerous natural phenomenon as gas and hydrates was revealed in the upper part of the section. These anomalies create a high risk of gas emissions during drilling and operation, require the transfer of well locations, special technological and design solutions during their construction. Forecasting and preventing the occurrence of emergencies is an urgent problem, since they can lead to catastrophic consequences. To develop deposits complicated by such anomalies, it is necessary to develop a targeted set of measures from exploration to exploitation. It is necessary to identify accumulations of shallow gas and hydrates at an early stage, and safe operation requires a special approach to the arrangement and selection of offshore oil and gas facilities.

Арктическая зона мирового океана характеризуется высочайшим углеводородным потенциалом, на территорию России здесь приходится его большая часть: порядка 95 трлн м3 газа и свыше 13 млрд т нефти [1]. Несмотря на перспективность данных участков, их освоение может сопровождаться рядом сложностей. На территории арктического шельфа в придонных отложениях выявлены скопления газа и гидратов, а также последствия их выбросов – покмарки (рис.1) [2]. Эти кратеры являются прямым свидетельством дегазации недр. Данные факторы оказывают ключевое влияние на выбор проектных решений в рамках освоения морских месторождений и строительства подводной инфраструктуры для них.
В зарубежной литературе явление наличия мелкозалегающего газа определяется термином «shallow gas» (приповерхностный газ). На практике, за приповерхностные скопления углеводородов принимают те, которые расположены выше расчетной глубины установки башмака обсадной колонны, то есть, в интервале бурения, при проходке которого не используется противовыбросовый превентор (в большинстве случаев величина данной толщи разреза при бурении морских скважин изменяется в пределах от 100 до 500 м).
Присутствие в разрезе неглубокозалегающих газа и гидратов устанавливается по характерным признакам при проведении следующих исследований:
• высокоразрешающая сейсморазведка;
• акустические исследования;
• инженерно-геологическое бурение и отбор керна;
• геофизические исследования скважин [3].
Основные признаки наличия приповерхностного газа в верхней части разреза:
• потери сейсмической корреляции;
• аномалии типа «яркое пятно»;
• вздутие образцов породы;
• резкий болотный запах керна;
• образование пузырьков на поверхности керна;
• повышенное содержание газа в буровом растворе;
• выбросы газоводяной смеси из скважин [2].
На долю Карского и Баренцева морей приходится большая часть запасов углеводородов арктического шельфа РФ (рис. 2). При проведении разного рода исследований на данных территориях в верхней части разреза были обнаружены скопления газа как в свободном, так и в гидратном состояниях.
При бурении на площади Штокмановского месторождения фиксировались выбросы водогазовой смеси с глубины 600 м, скопления газа в этом интервале подтвердились наличием волновых аномалий типа «яркое пятно» на временном разрезе. Такие аномалии характерны для большей площади месторождения. Линзы мелкозалегающего газа были выявлены в интервалах от 400 до 600 м [2], а на глубинах от 20 до 500 м были выявлены скопления гидратов [4]. При проведении буровых работ на Карском море фиксировались выбросы газа с глубин до 60 м [2].
Предполагается, что в глубоководных районах Баренцево-Карского шельфа скопления газа в верхней части разреза сформировались в результате вертикальной миграции газа из глубокозалегающих горизонтов. В качестве покрышек для каналов миграции выступали многолетнемерзлые породы или газогидратные толщи.
По мере протаивания осадков (в результате трансгрессии) газ мигрировал вверх по разрезу и распространился в придонных отложениях. Параллельно с этим процессом, вследствие повышения температуры, в интервалах мерзлых пород запустились процессы разложения органики (с выделением биогенного газа) и изменения фазового состояния гидратов [2, 4]. Прорывы газа на поверхность происходят через ослабленные зоны (талики и дизъюнктивные нарушения). Следствием прорывов являются кратеры (покмарки).
В мировой практике известен ряд происшествий на морских промыслах, связанных с выбросами газа, большая часть которых возникает при бурении скважин [3].
Аварии на морских месторождениях с мелкозалегающими газо- и гидратонасыщеннными горизонтами могут произойти на любой стадии, как при бурении, так и при эксплуатации.
Интервалы до 500 метров обычно проходят без противовыбросового оборудования, что в условиях Карского и Баренцева морей может повлечь за собой серьезные последствия из-за пересечения траекториями скважин зон со скоплениями мелкозалегающего газа.
Для обустройства месторождений в условиях арктического шельфа зачастую применяются ледостойкие стационарные платформы, масса которых, как правило, составляет от десятков до сотен тысяч тонн. Установка платформ над придонными скоплениями не только создает в них повышенное давление, но и способствует растеплению газогидратных толщ, в результате чего усиливается деформация данных интервалов.
В процессе эксплуатации движение газа с высокой температурой из нижележащих пластов в добывающей скважине также вызывает растепление пород и, соответственно, переход газа из гидратного в свободное состояние (в 1 м3 гидрата содержится 180 м3 газа).
Все вышеперечисленные факторы могут привести к неконтролируемым выбросам газа и к деформациям морского дна. При грифоноообразовании у устьев скважин из-за быстротекущей усадки и разжижения грунта возникают дополнительные нагрузки на оборудование, происходит слом обсадных колонн, у гравитационных платформ может произойти повреждение и разрушение опор. При достижении газа поверхности воды возрастает риск взрывоопасности, возможны как локальные, так и глобальные повреждения платформ или судов, уменьшается плотность воды, в результате чего происходит затопление морских судов.
Так, например, при проведении буровых работ в акватории Печорского моря произошел мощный выброс газоводяной смеси с глубины около 50 м. Котел кипения вокруг бурового судна достигал диаметра 200 м. Из-за прорыва газа у судна отказали вспомогательные и главный двигатели, система динамического позиционирования. Судно полностью было выведено из строя, частично потеряв плавучесть, оборвалась колонна бурильных труб [2]. Подобные и более критические аварии были зафиксированы на многих морских промыслах мира: в Норвежском море (глобальные повреждения и 10-градусный крен платформы), в заливе Кука (уничтожение платформы в результате взрыва).
Освоение месторождений, на территориях которых в верхней части разреза возможно наличие газа и гидратов, требует определенного подхода. Учет потенциальных рисков крайне необходим для оценки проектных решений при обустройстве месторождений в акваториях арктического шельфа.
Перед проведением буровых работ необходимо детальное изучение верхней части разреза высокоразрешающей сейсморазведкой и другими ранее перечисленными методами. На основе интерпретации полученных данных проводится составление карт распределения рисков на наличие придонного газа и их последующая корректировка по результатам бурения инженерно-геологических скважин. Перед проходкой глубоких скважин необходимо произвести бурение пилотных стволов с применением технологии безрайзерной циркуляции. В состав цементных растворов должны входить газоблокирующие добавки, а саму скважину необходимо оснастить дополнительным герметизирующим и противовыбросовым оборудованием. Обустраивать такие месторождения рекомендуется с применением подводных добычных комплексов и/или плавучих добывающих суден, для минимизации давления на грунт, возможности мобилизации с места прорыва газа и предотвращения катастроф.

Литература

1. Никитин Б.А. Перспективы освоения газовых ресурсов шельфа арктических морей России / Б.А. Никитин, А.Д. Дзюбло // Вести газовой науки. – 2017. – № 4(32). – С. 15–24.
2. Рокос С.И. Газонасыщенные отложения верхней части разреза Баренцево-Карского шельфа : автореф. дисс. … кандидата географических наук: 25.00.28 / Рокос Сергей Игоревич; Мурманский морской биологический институт. – Мурманск, 2009. – 42 с.
3. Дзюбло А.Д., Воронова В.В. Исследование механизмов возникновения опасных природных явлений при освоении нефтегазовых месторождений на шельфе арктических и субарктических морей // Безопасность труда в промышленности. – 2019. – № 4. – С. 69–77.
4. Богоявленский В.И. Газовые гидраты в акваториях циркумарктического региона / В.И. Богоявленский, А.С. Янчевская, И.В. Богоявленский, А.В. Кишанков // Арктика: экология и экономика. – 2018. – № 3(31). – С. 42–55.
5. Захаренко В.С. Предпосылки и условия формирования газогидратов на Штокмановской площади Баренцева моря / В.С. Захаренко, Г.С. Казанин, С.П. Павлов // Вестник МГТУ. – 2014. – № 2. – С. 394–402.
6. Петренко В.Е. Проектные решения для строительства скважин на морском шельфе в условиях наличия приповерхностного газа / В.Е. Петренко, Г.С. Оганов, Т.А. Свиридова // Проектирование и разработка нефтегазовых месторождений. – 2017. – № 1. – С. 42–47.
7. Метан и климатические изменения: научные проблемы и технологические аспекты. – М.: Российская академия наук, 2022 / под ред. академика РАН В.Г. Бондура, академика РАН И.И. Мохова, члена-корреспондента РАН А.А. Макоско.
8. Самсонов Р.О. Климат п-ова Ямал и последствия его изменения, осложняющие добычу и транспорт углеводородов / Р.О. Самсонов, Ю.В. Илатовский, Н.Б. Пыстина, А.В. Баранов // Газовая промышленность. – 2010. – № 2(642). – С. 82–84. – EDN KZSAWT.

References

1. Nikitin B.A. Perspektivy osvoyeniya gazovykh resursov shel'fa arkticheskikh morey Rossii [Prospects for the development of gas resources of the shelf of the Arctic seas of Russia]. / B.A. Nikitin, A.D. Dzyublo // Vesti gazovoy nauki. – 2017. – no. 4(32). – pp. 15–24. (In Russian).
2. Rokos S.I. Gazonasyshchennyye otlozheniya verkhney chasti razreza Barentsevo-Karskogo shel'fa [Gas-saturated deposits of the upper part of the section of the Barents-Kara shelf] : avtoref. diss. … kandidata geograficheskikh nauk: 25.00.28 / Rokos Sergey Igorevich; Murmanskiy morskoy biologicheskiy institut. – Murmansk, 2009. – p. 42. (In Russian).
3. Dzyublo A.D., Voronova V.V. Issledovaniye mekhanizmov vozniknoveniya opasnykh prirodnykh yavleniy pri osvoyenii neftegazovykh mestorozhdeniy na shel'fe arkticheskikh i subarkticheskikh morey [Investigation of the mechanisms of the occurrence of hazardous natural phenomena during the development of oil and gas fields on the shelf of the Arctic and subarctic seas]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti [Safety of labor in industry]. – 2019. – no. 4. – pp. 69–77. (In Russian).
4. Bogoyavlenskiy V.I. Gazovyye gidraty v akvatoriyakh tsirkumarkticheskogo regiona [Gas hydrates in the waters of the circumarctic region]. / V.I. Bogoyavlenskiy, A.S. Yanchevskaya, I.V. Bogoyavlenskiy, A.V. Kishankov // Arktika: ekologiya i ekonomika [Arctic: Ecology and Economics].– 2018. – no. 3(31). – pp. 42–55. (In Russian).
5. Zakharenko V.S. Predposylki i usloviya formirovaniya gazogidratov na Shtokmanovskoy ploshchadi Barentseva moray [Prerequisites and conditions for the formation of gas hydrates in the Shtokman area of the Barents Sea]. / V.S. Zakharenko, G.S. Kazanin, S.P. Pavlov // Vestnik MGTU. – 2014. – no. 2. – pp. 394–402. (In Russian).
6. Petrenko V.Ye. Proyektnyye resheniya dlya stroitel'stva skvazhin na morskom shel'fe v usloviyakh nalichiya pripoverkhnostnogo gaza [Design solutions for the construction of wells on the sea shelf in the presence of near-surface gas] / V.Ye. Petrenko, G.S. Oganov, T.A. Sviridova // Proyektirovaniye i razrabotka neftegazovykh mestorozhdeniy [Design and development of oil and gas fields]. – 2017. – no 1. – pp. 42–47. (In Russian).
7. Metan i klimaticheskiye izmeneniya: nauchnyye problemy i tekhnologicheskiye aspekty. [Methane and climate change: scientific problems and technological aspects].– Moscow.: Rossiĭskaya akademiya nauk, 2022 / pod red. akademika RAN V.G. Bondura, akademika RAN I.I. Mokhova, chlena-korrespondenta RAN A.A. Makosko. (In Russian).
8. Samsonov R.O. Klimat p-ova Yamal i posledstviya yego izmeneniya, oslozhnyayushchiye dobychu i transport uglevodorodov [The climate of the Yamal Peninsula and the consequences of its change, complicating the production and transport of hydrocarbons]. / R.O. Samsonov, Yu.V. Ilatovskiy, N.B. Pystina, A.V. Bara-
nov // Gazovaya promyshlennost' [Gaz industry]. – 2010. – no. 2(642). – pp. 82–84. – EDN KZSAWT (In Russian).

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей

    Авторизация


    регистрация

    Самсонов Р.О.

    Самсонов Р.О.

    д.т.н., профессор

    ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» г. Санкт-Петербург, 199106, РФ

    Сайченко Л.А.

    Сайченко Л.А.

    к.т.н., доцент кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

    ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» г. Санкт-Петербург, 199106, РФ

    Винклер В.С.

    Винклер В.С.

    магистр

    ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» г. Санкт-Петербург, 199106, РФ

    Просмотров статьи: 491

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru