Газонасыщенные отложения верхней части разреза Баренцево-Карского шельфа

В пределах шельфа Баренцева, Карского и Печорского морей сосредоточены значительные запасы нефти, газа и газоконденсата. В регионе ведется поисково-разведочное бурение, планируется освоение месторождений и строительство систем транспортировки углеводородного сырья. Проектные решения в областях освоения нефтегазовых месторождений и строительстве систем транспорта углеводородов во многом зависят от физико-географических и инженерно-геологических условий. Эти условия во многом определяют как технические средства и технологии, так и экономику проектов освоения месторождений и систем транспортировки.

Инженерно-геологические условия, в свою очередь, определяются строением, составом и свойствами отложений (грунтов) верхней части разрезабатиметрическими, климатическими и гидрометеорологическими факторами, а также палеогеографией данного региона.

Актуальность работы определяется в первую очередь практическим отсутствием данных о влиянии на природные условия (прежде всего инженерно-геологические) приповерхностного газа в неконосолидированных и слаболитифицированных отложениях верхней части разреза шельфа Баренцева и Карского морей.

В пределах описываемого региона наличие свободного газа в верхней части разреза устанавливается главным образом по характерным особенностям сейсмоакуспгческих временных разрезов, а также по немногочисленным материалам многоканального высокочастотного сейсмического профилирования. Сопоставления этих данных с составом и свойствами газонасыщенных отложений, определенными по материалам бурения, для Баренцево-Карского шельфа ранее не проводилось.

Основная цель работы заключается в оценке влияния приповерхностного газа на инженерно-геологические условия.

Основные задачи исследований. Исходя из поставленной цели в задачи диссертационной работы входило:

— типизация форм насыщения осадков газом.

— анализ механизмов насыщения верхней части осадочного разреза свободным газом в связи со стратиграфией, литологией и палеогеографией региона.

— оценка влияния свободного газа на физико-механические и акустические свойства донных грунтов.

— выявление и оценка процессов и явлений, связанных с наличием в грунтах газа.

— анализ потенциальных рисков, связанных с наличием свободного газа, при поисках и разведке нефтегазовых месторождений, а также строительстве систем транспортировки углеводородного сырья.

Основные защищаемые положения. В качестве основных выводов на защиту выносятся следующие положения:

1. В пределах Баренцево-Карского шельфа выделяются три области с различным механизмом насыщения приповерхностных осадков свободным газом. Первая область располагается в глубоководных районах (глубина моря более 100м). В этой области газонасыщение верхней части разреза связано с вертикальной миграцией газа из глубоких горизонтов осадочной толщи. Вторая область расположена в мелководных районах, которые в течение максимальной предголоценовой регрессии были обнажены выше уровня моря. Здесь газонасыщение связывается с процессами деградации многолетнемерзлых пород (с выделением посткриогенного газа). Третья область приурочена к эстуариям крупных рек (Обь, Енисей и др.). В этой области насыщение осадков свободным газом происходит в результате разложения относительно свежей органики, захороненной в современных аллювиально-морских образованиях.

2. Распределение свободного газа в пределах открытого мелководного шельфа Печорского и юго-западной части Карского морей в основном контролируется соотношением в разрезе каргинско-средневалдайских черных глин, играющих роль покрышек, и зырянско-нижневалдайских песков, выступающих как коллекторы. В Обской и Тазовской губах, а также в Енисейском заливе газонасыщенность донных грунтов определяется сплошностью покрова современных аллювиально-морских осадков и содержанием в них органических веществ. В глубоководной части Баренцево-Карского шельфа каких-либо закономерностей распространения газонасыщенных образований не установлено.

3. В верхней части разреза мелководных акваторий Печорского и Карского морей наблюдаются зоны аномально высокого пластового давления (АВПД), связанные с наличием газа. Эти зоны приурочены к линзам песчаного состава, перекрытым глинистыми флюидоупорами (покрышками). Максимальное давление газа наблюдается в зонах, где покрышки представлены стабилизированными мерзлыми казанцевско-микулинскими глинами и суглинками. В случаях, когда обособленные линзы песчаного состава перекрыты талыми стабилизированными казанцевско-микулинскими и каргинскосредневалдайскими глинистыми грунтами, давление газа в них значительно ниже. Образование зон аномально высокого пластового давления (АВПД) в мелководных районах Печорского и Карского морей связано со скоплениями посткриогенного газа, аккумулирующегося в мини-ловушках.

4. Наличием в верхней части разреза газовых скоплений с АВПД отчасти обусловлены деформации в толще четвертичных отложений.

5. Наличие в грунтах свободного газа ухудшает инженерно-геологические условия и представляет собой фактор риска, требующий особого внимания при строительстве и проектировании сооружений.

Личный вклад автора и научная новизна исследований. Данная работа является первым исследованием, в рамках которого обобщены материалы сейсмоакустического профилирования, бурения, пробоспгбора и лабораторных определений, выполненные в районах распространения газонасыщенных осадков Баренцево-Карского шельфа. Впервые выделены области с различным характером насыщения донных грунтов свободным газомопределены, проанализированы и сопоставлены механизмы газонасыщенияпроанализировано влияние газа на физико-механические и акустические свойства грунтов Баренцево-Карского шельфапредложен механизм формирования приповерхностных зон аномально высокого пластового давления и дислокаций в верхней части осадочного разреза.

В работе использованы материалы, полученные при изыскательских работах ОАО «Арктические Морские Инженерно-Геологические Экспедиции» (АМИГЭ) по объектам на акваториях Баренцева, Печорского и Карского морей. Эти материалы включают данные инженерно-геологического бурения, статического зондирования, сейсмоакустического профилирована в различных модификациях, высокоразрешающего многоканального сейсмоакустического профилирования, гидролокации бокового обзора и многолучевого эхолотирования. На многих из этих объектов автор принимал участие в обработке и интерпретации указанных материалов в качестве геолога и (или) ведущего исполнителя.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях: «Газ в морских осадках-2002», «Нефть и газ Арктического шельфа-2006, 2008» и др. Результаты исследований изложены в производственных научно-технических отчетах, опубликованы в ряде статей.

Практическая значимость исследований определяется тем, что ее результаты могут быть использованы в практике инженерно-геологических изысканий.

Представленные в работе материалы и выводы позволяют оценить наличие в грунтах свободного газа как фактор инженерно-геологического риска. Приведенные результаты могут быть использованы для проектирования сооружений нефтегазового комплекса (подводные трубопроводов, морских буровых платформ, нефтеналивных терминалов и пр.).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка опубликованных работ автора и списка использованной литературы. Общий объем работы 89 страницдиссертация содержит 38 рисунков. Список использованной литературы включает: 65 источников, из них — 10 на иностранных языках.

Заключение

.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие основные теоретически и практически значимые выводы:

1. Газонасыщение отложений верхней части разреза Баренцево-Карского шельфа обусловлено различными факторами. В глубоководных районах оно связано с вертикальной миграцией газа из глубоких горизонтов осадочной толщи. В пределах открытого мелководного шельфа Печорского и юго-западной части Карского морей насыщение осадков свободным газом связано с процессами деградации реликтовых многолетнемерзлых пород. В Обской и Тазовской губах, а также в Енисейском заливе газонасыщение обусловлено интенсивной деструкцией органических веществ, погребенных в приповерхностном слое современных аллювиально-морских осадков.

2. Распределение свободного газа. в пределах открытого мелководного шельфа Печорского и юго-западной части Карского морей в основном контролируется соотношением в разрезе каргинско-средневалдайских черных глин, играющих роль покрышек, и зырянско-нижневалдайских песков, выступающих как коллекторы. В Обской и Тазовской губах, а также в Енисейском заливе газонасыщенность донных грунтов по большей части связана с интенсивным разложением свежепогребенной в современных осадках органики. Здесь газонасыщенность контролируется сплошностью покрова современных осадков и содержанием в них органических веществ. В глубоководной части Баренцево-Карского шельфа каких-либо закономерностей распространения газонасыщенных образований не наблюдается.

3. Скопления газа в мини-ловушках и/или диспергированный газ создают внутри осадочных толщ некоторое избыточное, по отношению к гидростатическому, поровое (пластовое) давление. Это делает газонасыщенные грунты неустойчивыми к внешним динамическим нагрузкам, а также служит одной из причин естественных деформаций четвертичной толщи.

4. В пределах мелководного открытого шельфа Печорского и юго-западной части Карского морей установлены приповерхностные зоны АВПД, залегающие на глубине менее 50 м ниже поверхности дна. При вскрытии этих зон инженерно-геологическими скважинами происходили выбросы газо-водяной смеси со взвешенными грунтовыми частицами. В одних случаях зоны АВПД связаны со скоплениями биогенного газа в локальных песчаных линзах-коллекторах, перекрытых глинисто-суглинистыми отложениями, выступающими как покрышки. В других, — они приурочены к подошве мощных толщ многолетнемерзлых грунтов. Давление внутри зон АВПД тем больше, чем более консолидированы толщи-покрышки. Максимальные давления имеют место в подмерзлотных интервалах АВПД.

5. На шельфе Баренцева и Карского морей существую области, благоприятные для образования природных газогидратов (кристаллогидратов метана) у поверхности дна и в глубине разреза. У поверхности дна газогридраты могут образовываться в глубоководной части (глубины моря более 250м) при.

1 отрицательной или околонулевой температуре придонных вод. В мелководных районах они могут залегать в составе мерзлых толщ. Несмотря на то4 что прямые факты обнаружения газогидратов в пределах рассматриваемого региона отсутствуют, исключать этот фактор из перечня природных рисков в настоящее время не следует.

6. Интервалы осадочной толщи, насыщенные свободным газом, отличаются пониженными значениями скоростей распространения сейсмических волн. Скорость продольных волн в них составляет 800−1200м/с. Роста значений скоростей распространения упругих колебаний по мере увеличения глубины в разрезах, включающих газонасыщенные интервалы, не наблюдается.

7. Наличие в грунтах газа влияет на физико-механические свойства неоднозначно.

Газонасыщенные грунты, содержащие скопления газа с относительно высоким внутрипластовым давлением, при вскрытии их скважинами или конусами (зондами) статического зондирования разупрочняются (песчаные грунты по видомому разжижаются). Это выражается в снижении прочности и плотности при одновременном увеличении сжимаемости и пористости. В грунтах, где давление газа близко к гидростатическому существенного изменения свойств не наблюдается.

8. Инженерно-геологические изыскания в районах распространения газонасыщенных грунтов требуют применения комплекса специальных методов, включающих, прежде всего, статическое зондирование с измерением естественного пластового и избыточного порового давленияотбор грунтовых кернов герметичными пробоотборникамиопределение некоторых специфических свойств (таких как, например, газовый фактор) и т. п.

В целом насыщенность грунтов газом (как в свободной и растворенной формах, так и в виде газогидратов) является фактором, ухудшающим (осложняющим) инженерно-геологические условия. Это требует отдельного дополнительного учета в нормативных документах, регламентирующих изыскания, проектирование и строительство инженерных сооружений на шельфе.

7. Список публикаций автора по теме диссертации: В рецензируемых журналах:

1. Акустические фации посткриогенных обстановок мелководных районов Печорского и Карского морей // Разведка и охрана недр, № 7−8, 1999, с.10−14 (в соавторстве с Бондаревым В. Н., Длугачем А. Г., Костиным А. Д., Лисуновым В.К.).

2. Подмерзлотные скопления газа в верхней части осадочного чехла Печорского моря // Геология и геофизика, Том 43, № 7, 2002, с. 587−598 (в соавторстве с В. Н. Бондаревым, А. Г. Длугачем, Д. А. Костиным, Н.А. Поляковой).

3. Cryogenic processes and phenomena in upper sediment layer of the Pechora Sea // Berichte zur Polarund Meereesforschung. Vol. 50L, 2005, p. 141−155 (with V. Bondarev, G. Tarasov, D. Kostin, A. Dlugach, N. Polyakova).

4. Газонасыщенные осадки губ и заливов южной части Карского моря // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода, № 67, 2007 г., стр. 6675 (в соавторстве с Тарасовым Г. А.).

5. О признаках газопроявлений в новейших отложениях Баренцево-Карского шельфа // ДАН, том 418, № 3,2008, с.361−365 (в соавторстве с Тарасовым Г. А.).

В других изданиях:

6. Формирование состава и ФМС плиоцен-четвертичных мореноподобных отложений центральной части шельфа Баренцева моря (Южно-Баренцевская впадина и ее структурное обрамление). Киев, 1990 г, препринт, АН Украины, Ин-т Геологических наук, 75стр. (в соавторстве с Люстерником В. А.).

7. Формирование состава и физико-механических свойств плейстоценовых отложений южной и центральной частей шельфа Баренцева моря (генетический и палеогеографический аспекты). Киев, 1992 г, препринт, АН Украины, Ин-т Геологических наук, 87стр. (в соавторстве с Люстерником В. А.).

8. Свободный газ и многолетняя мерзлота в осадках верхней части разреза мелководных районов шельфа Печорского и Карского морей / Седиментологические процессы и эволюция морских экосистем в условиях морского перигляциала. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2001. с. 40−52 (в соавторстве с Костиным АД., Длугачем А.Г.).

9. Свод Правил 11−114−2004 «Инженерные изыскания на континентальном шельфе под строительство морских нефтегазопромысловых сооружений». Госстрой России.- М.: ФГУП ПНИИС Госстроя России, 2004, 88стр. (в соавторстве с Баулиным В. В., Стаценко А. Н., Гавриловым В. Г., Лариной Т. А., Черняком Э. Р., Хайме Н. М., Минделем И. Г., Кальбергеновым Г. Г., Шибакиным С. И., Бондаревым В. Н., Чурсиной НВ., Локтевым А. С., Кальбергеновым Г. Г., Саксом С. Е. и др.).

10. Инженерно-геологические особенности приповерхностных зон аномально высокого пластового давления на шельфе Печорского и южной части Карского морей//Инженерная геология, № 4, 2008, с. 22−28.