Геокриологические условия мелководного шельфа Карского моря

В настоящее время практический интерес вызывает освоение газовых ресурсов континентального шельфа Арктики, в особенности месторождений Приямальского шельфа Карского моря: Крузенштернское, Харасавэйское, Нярмейское и Скуратовское. Суммарные запасы газа Приямальского шельфа составляют более 4,5 трлн м³.

Особый интерес для освоения углеводородных ресурсов представляет также мелководная акватория Обской и Тазовской губ Карского моря. Здесь открыты крупнейшие месторождения углеводородов: Северо-Каменномысское, Каменномысское-море, Чугорьяхинское, Адерпаютинское, Обское, Утреннее (Салмановское) и другие.

Начальные суммарные ресурсы газа Обской и Тазовской губ составляют более 7 трлн м³. Особый интерес представляет Южно-Обский участок недр, перспективный не только ресурсами газа, но и нефти.

По результатам проведенных работ в 2018 г, ПАО «НОВАТЭК» открыло новое газоконденсатное месторождение Северо-Обское. Ресурсы природного газа Северо-Обского участка недр составляют в объеме не менее 900 млрд м³, что позволяет отнести Северо-Обское месторождение к уникальным.

В 2019 г в морской части Геофизического нефтегазоконденсатного месторождения, стратегически важного для освоения ресурсов Обской губы, пробурена первая скважина, подтвердившая наличие залежей углеводородов в меловых отложениях.

Освоение месторождений в мелководной акватории Карского моря является сложной технической задачей. К числу потенциально опасных процессов, исходя из оценки природных условий исследованной части акватории Приямальского шельфа, Обской и Тазовской губ, относятся следующие: перенос и аккумуляции осадков, размыв морского дна; ледовое выпахивание морского дна; затонувшие искусственные объекты; многолетнемерзлые породы; разрушение берегов; сейсмичность района.

Инженерно-геологические условия на мелководном шельфе Карского моря влияют на выбор технических средств для поисково-разведочного бурения. Полученные данные о геокриологических условиях работ способствуют принятию проектных решений по освоению месторождений.

По результатам исследований в статье дана оценка возможных осложнений, вызванных наличием многолетнемерзлых пород, при глубоководном бурении в акватории Приямальского шельфа, Обской и Тазовской губ.

Строение субаквальных многолетнемерзлых пород Обской и Тазовской губ

Распространение и строение субаквальных многолетнемерзлых пород (СММП) на шельфе Карского моря изучено недостаточно. Основные представления получены на базе результатов инженерно-геологического бурения в прибрежных районах.

Ранее было установлено, что субаквальная мерзлота в Карском море представлена прерывистым и островным типами. Размер массивов твердомерзлых пород составляет 100-500м, между ними располагаются отрицательно температурные (охлажденные) породы [7]. Данных о мощности субаквальных мерзлых пород очень мало. Тем не менее, можно говорить, что в подавляющем большинстве на шельфе Карского моря распространены реликтовые мерзлые породы, сформировавшиеся в сартанское время. [2]

Субаквальная мерзлота Обской и Тазовской губ представлена седиментационно засоленными позднечетвертичными морскими отложениями песчаного и глинистого состава. В таблице 1 показана литолого-стратиграфический разрез мелководного шельфа Обской и Тазовской губ.

Таблица 1 Схема стратиграфического расчленения верхненеоплейстоцен-голоценовых отложений

Морские, ледово-морские отложения казанцевской свиты (m, gm IIIkz) в разрезе исследованной акватории распространены повсеместно, кровля отложений по данным инженерно-геологического бурения прослеживается на глубинах 23 – 44 и более метров от поверхности дна. Максимальная вскрытая мощность отложений данного комплекса 45,9 м. Подошва казанцевских отложений инженерно-геологическими скважинами не вскрыта.

Отложения казанцевской свиты, представлены преимущественно алеврито-глинистыми и глинистыми осадками с прослоями алевритов и песков. Текстуры отложений достаточно разнообразные. Практически во всех вскрытых разрезах наблюдаются посткриогенные текстуры: оскольчатость, комковатость, трещиноватость и т.п.

Геокриологические условия акватории Обской и Тазовской губ

Работами дифференциально-нормированным методом электроразведки (ДНМЭ) в 2000 г. был установлен факт наличия толщи многолетних мерзлых пород (ММП) под акваторией Обской губы. По одному электроразведочному профилю, пересекающему губу в широтном направлении, было установлено, что ММП не обрывается резко по береговой линии, а изменяется постепенно от нескольких сотен метров до нуля по мере удаления от берега. [6]

Наличие многолетнемерзлых пород было также подтверждено инженерно-геологическими исследованиями. Инженерные изыскания были выполнены в Обской и Тазовской губах на структурах Северо-Каменномысская, Каменномысская-море, Обская, Паютовская, Чугорьяхинская и Адерпаютинская (рис. 1).

Неоднородность мерзлотно-геологической обстановки, обусловленная разнообразием природных условий в плейстоцене, а также значительные криогенные и посткриогенные преобразования отложений в современный период определяет геокриологические условия района работ как сложные.

Рис. 1 Обзорная схема района работ (по данным исследования ОАО «АМИГЭ»)

На берегах распространение ММП по разрезу, вероятно, носит сплошной характер. Мерзлые породы развиты на всех геоморфологических уровнях, начиная с лайд и низких пойм рек до террас. Многолетнемерзлые породы залегают непосредственно с поверхности, ниже слоя сезонного протаивания. В пределах сухопутных районов мощность ММП может составлять 200-350м (Баулин и др., 1973). На рисунке 2 представлена штольня вечной мерзлоты в поселке Ямбург.

Рис. 2 Штольня вечной мерзлоты в поселке Ямбург

На лайдах она может понижаться до 150-200 м. В прирусловых частях, впадающих в губу рек, мощность ММП сокращается до 40-50м. [5]

В пределах прибрежного мелководья ММП встречаются на удалении до 100 м от берега, так у Ямальского берега в районе м. Каменный кровля мерзлых пород была зафиксирована на удалении 50 м от берега на глубине 3 м, на удалении 100 м - на глубине 10-12 м.

Наличие многолетнемерзлых пород в прибрежной части было подтверждено инженерно-геологическим бурением. По результатам бурения, кровля мерзлых грунтов вскрыта на глубине 0,5м от поверхности дна, при этом мощность мерзлой толщи составляет более 29,3 м (рис. 3).

Рис. 3 Инженерно-геологический разрез Ямбургской скважины №1 (по данным исследования ОАО «АМИГЭ»)

В разрезе Ямбургской скважины, вскрывшей многолетнемерзлые породы, в верхней части разреза в интервале 0,5-29,8 м залегают мерзлые грунты.

Верхняя часть мерзлой толщи (интервал 0,5-3,1м) представлена глиной пластичномерзлой атакситово-слоистой криотекстуры. Ледяные включения представлены шлирами размером в среднем 0,5-1,0см, реже до 2см и горизонтальными прослоями толщиной 1-2 см. Температура грунта, измеренная в керне скважины на глубине 1,1м составила -0,7°С.

Отложения, вскрытые в интервале 3,1-5,8м от поверхности дна, представлены песком твердомерзлым, криотекстура песка массивная, в глинистых прослоях отмечаются редкие наклонными шлиры льда. Температура грунта измеренная в керне скважины на глубине 3,2м составила -0,5°С; на глубине 5,3м -3,7°С. Объемная льдистость грунта составляет 12 -15%.

Ниже в разрезе (интервал 5,8-21,6м) залегает мощная пачка отложений представленных супесью твердомерзлой, криотекстура грунта массивная с редкими шлирами льда размером до 1см.

Температура грунта измеренная в керне скважины на глубине 7,8м составила минус 2,2°С; на глубине 10,5м - 2,4°С. Объемная льдистость - 16%.

В основании вскрытого разреза (интервал 21,6-29,8м) залегает слой песка твердомерзлого, криотекстура песка массивная, с редкими наклонными шлирами льда толщиной 1-3мм. Объемная льдистость грунта -19%.

Кроме этого, в условиях наличия ММП по результатам проведенного НСП, и по данным геофизических работ, как на сейсмоакустических, так и на сейсмических разрезах, наблюдаются аномалии связанные с резким изменением волнового поля. На шельфах Печорского и Карского морей, где с помощью инженерно-геологического бурения было подтверждено наличие ММП, на сейсмических и сейсмоакустических разрезах отмечается сходная картина (Длугач и др., 1996).

В пределах акватории существование мерзлых пород ниже глубины бурения (глубже 70м) можно оценить по температурным условиям, в которых находится грунтовая толща. Во время проведения буровых работ на площадках, в отдельных скважинах проводилось измерение температуры керна. Наиболее низкая температура была измерена на площадке Северо-Каменномысская-1.

При годовой амплитуде от 0 до +17,2°С, среднегодовая температура придонного слоя будет близка к +1,5°С. Исходя из общей теплофизической модели можно сделать вывод, что в таких температурных условиях в настоящее время в пределах исследованной акватории существует сквозной талик. Однако это не исключает возможности существования отдельных реликтов ММП на акватории Обской и Тазовской губ.

Особый интерес представляет оценка динамики субаквальной мерзлоты в связи с изменением климата. Данные по температуре придонного слоя воды в Карском море за последние 100 лет показывают ее повышение от 0,3 °С (к востоку от Новой Земли) до 2,4 °С (южная часть Байдарацкой губы). Математическое моделирование показало, что в этом случае понижение кровли подводной мерзлоты происходит со скоростью до 2,5 см в год. [2]

Таким образом, сложные геокриологические условия района исследований определяются повсеместным развитием многолетнемерзлых пород на берегах, и значительными криогенными и посткриогенными преобразованиями осадков акватории.

Геокриологические условия Приямальского шельфа

В пределах морской площади месторождения Крузенштернское достаточно широко развиты многолетнемерзлые породы. В ходе площадных инженерно-геологических изысканий на месторождении, инженерно-геологическим бурением были вскрыты ММП. Также наличие ММП было подтверждено электроразведочными работами.

Сейсмоакустическое профилирование строения осадочного разреза на глубину до 200 м позволило получить временны́е разрезы, которые показали практически повсеместное наличие свободного газа в осадках верхней части разреза (рис. 4).

Рис. 4. Сейсмоакустические комплексы на временно́м разрезе через площадку 1. Обозначения: α — граница кровли газонасыщенного интервала; граница β коррелируется с подошвой глинистых грунтов

Газонасыщенность осадков верхней части разреза парагенетически связана с процессами деградации реликтовой мерзлой толщи. Выделяющийся при таянии мерзлых пород газ перераспределяется в осадочном разрезе в зависимости от проницаемости и коллекторских свойств отложений. В верхней части осадочной толщи пески играют роль коллекторов, а вышележащие глины выступают как покрышки. В песках газонасыщение носит сплошной характер.

В вышележащих глинистых отложениях газонасыщение имеет спорадический характер. На отдельных участках, где свободный газ в осадках практически отсутствует, имеют место «акустические окна», в которых слоистая структура глинистых толщ прослеживается на большую глубину.

Ниже границы «β» залегает толща «акустически прозрачных» песчаных отложений. Отсутствие акустической информации в песчаной толще связано с газонасыщением осадков. По данным сейсмоакустики кровля многолетнемерзлых пород находится на глубинах от 50 до 200 м от поверхности дна.

Характерная картина, наблюдаемая на временны́х разрезах сейсмоакустического профилирования, показывает, что район Крузенштернского морского продолжения месторождения расположен в границах зоны деградирующей субаквальной криолитозоны. Географически эта зона охватывает мелководную область шельфа Карского моря, примыкающую к западному побережью Ямала (западноуральское мелководье). [3]

Субаквальная криолитозона западноуральского мелководья сформировалась в течение последней сартанский регрессии. Признаки деградации мерзлоты в виде посткриогенных структур наблюдаются в кернах всех скважин, пробуренных на площади Крузенштернского участка. В пределах западноуральской криолитозоны распространение многолетнемерзлых пород носит островной характер.

Проведенное инженерно-геологическое бурение показало, что в интервале от поверхности дна до глубины 40м многолетнемерзлые льдистые грунты отсутствуют.

На мелководном шельфе Карского моря многолетнемерзлые породы были встречены на продолжении Харасавэйского месторождения, Русановской структуры. Кроме того ММП широко развиты на месторождениях Скуратовское и Нярмейское.

Возможные осложнения при проведении глубокого бурения

Инженерно-геологические условия района исследований определяются принадлежностью данного района к области развития многолетнемерзлых пород на берегах и субаквальной криолитозоны на акватории. В настоящее время мерзлые породы шельфовой зоны находятся в стадии деградации, и переход мерзлого грунта в талое состояние сопровождается многими, так называемыми, посткриогенными явлениями. На первом месте, среди этих явлений, стоит газовыделение. Грунты даже с малым содержанием газа приобретают специфические свойства, что влечет за собой изменение физических и механических характеристик грунта. [1]

Особый интерес представляют области распространения структур газового сиппинга. Анализ показывает, что в подавляющем большинстве газовые проявления либо непосредственно приурочены к областям развития субаквальных многолетнемерзлых пород, либо располагаются внутри области их возможного развития. Это позволяет косвенно подтвердить их парагенетическую связь с субаквальными многолетнемерзлыми породами. Возможно, структуры газового сиппинга развиты в районах глубокого залегания субаквальных многолетнемерзлых пород и образованы за счет газа, выделяющегося при деградации СММП. [7]

Непосредственно на акватории Обской губы по данным инженерно-геологического бурения мерзлые породы не обнаружены, но вместе с тем в керне скважин отмечаются многочисленные текстуры посткриогенного характера (комковатость, полости, трещины и т.п.). При переходе мерзлых грунтов в талое состояние сейсмоакустические свойства отложений значительно изменяются.

На большей части площади средней части Обской и северо-западной части Тазовской губ наблюдается практически полное отсутствие сейсмической корреляции. На временных разрезах верхняя граница газонасыщения почти совпадает с линией дна.

На локальных участках, представляющих собой своеобразные акустические окна, по временным разрезам удается проследить элементы строения толщи древнеголоценовых аллювиальных песков. При этом в самих песках наблюдается свободный газ, который, начиная с глубины нескольких метров от дна, полностью блокирует распространение упругих колебаний. Также отмечаются отдельные локальные прорывы газа, почти достигающие поверхности дна.

В северных частях Обской губы насыщение осадков газом носит не сплошной характер. В мористой части изученного участка севера Обской губы на временных разрезах отчетливо наблюдается мощная толща акустически слоистых современных аллювиально-морских осадков. Внутри самой голоценовой толщи также иногда встречаются локальные скопления свободного газа. Ниже подошвы этой толщи залегают образования, в той или иной мере насыщенные свободным газом.

В средней части Обской и северо-западной части Тазовской губ газонасыщенные осадки развиты начиная практически от поверхности дна. По всей видимости здесь свободный газ продуцируется непосредственно придонной толщей голоценовых современных аллювиально­морских осадков. Эти осадки содержат относительно большое количество свежего органического вещества с большим потенциалом деструкции [Лисицын и др., 1994]. При разложении этого вещества и происходит выделение газа, который в значительной мере остается защемленным в пористом пространстве глинистых осадков и препятствует распространению упругих колебаний вглубь осадочной толщи.

Таким образом, в губах наблюдается два типа насыщения осадков свободным газом. Первый тип газонасыщения связан с деградацией реликтовой мерзлоты и наблюдается на открытой мелководной акватории. Газонасыщение этого типа носит локальный характер и контролируется соотношением в разрезе каргинских глин-покрышек и зырянских песков-коллекторов.

Второй тип обусловлен деструкцией свежего органического вещества, содержащегося в придонном слое осадков. Этот тип газонасыщения носит практически сплошной характер. Второй тип газонасыщения наблюдается в эстуариях крупных рек (прежде всего Оби и Енисея) в районах депоцентров осаждения больших количеств органического материала из водной взвеси. [8,9,10]

Способы сохранения состояния ММП в процессе освоения месторождений мелководной акватории Карского моря

Наличие многолетнемерзлых пород обусловливает необходимость разработки инженерно-технических решений для обеспечения устойчивости и безопасного функционирования скважин в результате теплового взаимодействия скважин с ММП. При проектировании разработки месторождения особое внимание следует уделить расстоянию между устьями скважин и наличию теплоизоляции на всем интервале ММП.

Строительство и эксплуатация газовых скважин в арктических регионах сопряжены с осложнениями, связанными с формированием ореолов оттаивания в околоствольном пространстве в результате длительного теплового воздействия скважин на льдистые мерзлые породы. Оттаивание ММП приводит к образованию приустьевых просадок грунта и деформациям околоскважинных сооружений и трубной обвязки.

В условиях гидратонасыщенности ММП в прискважинной зоне газовой скважины присутствуют газопроявления и льдообразование в заколонном пространстве, что может повлечь за собой возникновение повышенных давлений, воздействующих на крепь скважины. Обратное промерзание приводит к гидроразрыву окружающих промерзающих пород, смятие эксплуатационной колонны, разрушение кондуктора под действием давления обратного промерзания, превышающего критическое внутреннее давление. [4]

В мировой практике известны различные способы защиты скважин от воздействия ММП: управляемое промораживание прискважинной зоны; закачка хладоносителя в затрубное пространство скважины для охлаждения мерзлых пород; использование толстостенных, теплоизолированных обсадных труб и НКТ; покрытие поверхности колонн теплоизоляционными материалами и другие.

Для обеспечения надежности скважин в сложных геокриологических условиях в ПАО «Газпром» разработано комплексное решение по тепловой стабилизации (тепловой защите) многолетнемерзлых пород:

• спуск в устьевых зонах сезоннодействующих систем охлаждения грунтов.

• применение в конструкции скважин теплоизолированных лифтовых труб.

Впервые комплексное решение реализовано на скважинах Бованенковского НГКМ и показало высокую эффективность.

Геокриологические условия месторождения Харасавэйское отличаются особой сложностью. Условно благоприятная для строительства газовых скважин территория практически отсутствует. Почти все площадки газовых скважин попадают на участки с мощными пачками льдистых многолетнемерзлых пород, поэтому в .особо сложных условиях Харасавэйского ГКМ предлагаются дополнительные меры по термостабилизации устьевых зон добывающих скважин:

• Теплоизолированных направлений скважин (термокейсов) с пенополиуретановой теплоизоляцей (рис. 5) с глубиной спуска до 40 м;

• Сезоннодействующих систем охлаждения грунтов с увеличенной относительно Бованенковского НГКМ глубиной спуска (до 40 м);

• Теплоизолированных лифтовых труб с увеличенной относительно Бованенковского НГКМ глубиной спуска (до 150 м).

Разработанная комбинация термостабилизационных решений планируется релализовать при строительстве скважин в морской части месторождений Крузенштернское и Харасавэйское. [11]

Применение в конструкции скважин указанных месторождений теплоизолированных обсадных и лифтовых труб (ТЛТ) позволит замедлить оттаивание мерзлоты, образование гидратов и парафиновых отложений в скважинах, сократить расстояния между устьями теплоизолированных скважин в кустах, увеличить межремонтный период скважин.

Заключение

• Высокоширотное положение исследованного района, наряду с суровым арктическим климатом, определяет широкое распространение многолетнемерзлых пород. Мерзлые породы развиты как на побережье, так и в прибрежных мелководных участках акватории Приямальского шельфа, Обской и Тазовской губ.

• Анализируя геокриологические особенности и температурное состояние вскрытого разреза ММП, можно сделать вывод, что мерзлые породы в настоящее время находятся в нестабилизированном состоянии и деградируют, что также подтверждается геокриологическими особенностями разреза, где в верхней части наблюдается мерзлопластичное состояние грунта;

• Непосредственно в центральной части Обской и Тазовской губ (на площадках инженерно-геологических изысканий) по данным инженерно-геологического бурения мерзлые породы не обнаружены, но вместе с тем текстуры, наблюдаемые в керне скважин, говорят о том, что все грунты (за исключением придонного слоя илов) испытали криогенное преобразование. В пределах акватории, по-видимому, существует сквозной талик. Однако это не исключает возможности существования реликтов ММП на акватории.

• Идентификация и картирование ММП в верхней части разреза на основе инженерно-геологических изысканий и электроразведки обеспечат принятие оптимальных решений при проведении поисково-разведочного бурения и освоении месторождений мелководного шельфа Карского моря.

Литература

1. Богоявленский В.И., Богоявленский И.В., Дегазация Земли. Формирование залежей углеводородов в верхней части разреза и кратеров выбросов газа // Neftegaz.RU. – 2019. – № 1 – с.48-55.

2. 000108018050200Васильев А.А., 01110500510001800Стрелецкая И.Д., 0901000300200Облогов Г.Е., 08081000020001Широков Р.С. Динамика субаквальной мерзлоты Карского моря в меняющихся климатических условиях // Материалы пятой конф. геокриологов России. М., Унив. книга, 2016, т. 2, ч. 5, с. 26-30.

3. Дзюбло А. Д., Алексеева К. В. Инженерно-геологические условия обустройства акваториальной части Крузенштернского месторождения в Карском море // Арктика: экология и экономика. — 2020. — № 1 (37). — С. 79—92. — DOI: 10.25283/2223-4594-2020-1-79-92.

4. Дзюбло А.Д., Алексеева К.В., Перекрестов В.Е., Сян Хуа. Природные и техногенные риски при освоении нефтегазовых месторождений на шельфе арктических морей// Безопасность труда в промышленности. — 2020. — № 4. — С. 74–81. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-4-74-81.

5. 0900080090Кокин О.В., 0602051080100809001Цвецинский А.С. Геокриологическое строение подводного берегового склона Обской губы в зоне контакта с припаем // Соврем. подходы и перспект. технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений Российского шельфа, 2013, № 3 (14), с. 67-69.

6. 090005100200Колесов В.В., 00020001Вовк В.С., 00718010000Дзюбло А.Д., 09104118021050200009Кудрявцева Е.О. Разведка и обустройство месторождений в прибрежной зоне Обской губы // Газ. пром-сть, 2008, № 12, с. 66-68.

7. 000500001090Рекант П.В., 000108018050200Васильев А.А. Распространение субаквальных многолетнемерзлых пород на шельфе Карского моря // Криосфера Земли, 2011, т. ХV, № 4, с. 69-72.

8. 000001010Рокос С.И., 0010300100Длугач А.Г., 090010502001Локтев А.С. и др. Многолетнемерзлые породы шельфа Печорского и Карского морей: генезис, состав, условия распространения и залегания // Инж. изыскания, 2009, № 10, с. 38-41

9. Рокос С.И., Костин Д.А., Куликов С.Н., Субаквальные многолетнемерзлые породы Обской и Тазовской губ Карского моря; Криосфера Земли. 2019. Т. 23. № 5 (97). с. 17-26.

10. Рокос С.И., Тарасов Г.А. Газонасыщенные осадки губ и заливов южной части Карского моря //Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода, № 67, 2007, с. 66-75.

11. Стратов Д.В. Проблемы освоения Харасавэйского и Крузенштернского месторождений, Труды 14-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore 2019). 1-4 октября 2019 года, Санкт-Петербург СПб.: ХИМИЗДАТ, 2019. 116 – 117 с.

Keywords: Ob Bay, Taz Bay, Priyamalsky shelf, shallow shelf, geocryological conditions, permafrost