Экология и безопасность жизнедеятельности / Serikov - Ekologizaciya neftyanikh operaciy v more 2009
.pdfдинамическими особенностями глубинной литосферы и поверхностными геологическими условиями.
Геологическое моделирование, оценка устойчивости территорий и экологической безопасности уже не могут проводиться без учета глубин- ных тектонических факторов. Таковы требования инженерной геологии и
инженерной экологии сегодняшнего дня и ряда нормативных документов (прежде всего па объекты повышенной опасности).
Такие понятия, как «активный разлом», «геопатогенная зона», «глубинный карст», «горный удар» или «наведенная сейсмичность» прочно входят в обиход изыскателей, проектировщиков и многих служб и компаний по эксплуатации земных недр, в т.ч. в морских условиях, которые имеют особенности в сохранении экологии, биоресурсов морской акватории.
Вконцепции геологической безопасности базисным итоговым доку- ментом глубинных исследований является объемная комплексная геолого-
геофизическая модель земной коры изучаемой территории и регулярная количественная оценка ее современных геодинамических характеристик.
Главным предметом исследований является разломно-блоковая тектоническая структура геосферы на разномасштабных уровнях. Наи-
более важной является информация о структуре кристаллического фундамента и системе скрытых тектонических трещин, пронизывающих всю толщу земной коры, включая верхнюю часть осадочного чехла, играющую роль несущего основания и объекта эксплуатации.
Исследования глубинной структуры недр проводятся комплексом геологических, геофизических и геохимических методов. Региональной основой глубинного геофизического комплекса является метод много- волнового сейсмического зондирования (ГСЗ-МОВЗ) в сочетании с ме- тодом отраженных волн (МОГТ) и мобильными профиль - площадными группами сейсмостанций, выполняющих сейсмотомографические и геомониторинговые наблюдения на эколого-охраняемых объектах и терри- ториях (акваториях).
Впределах Каспийского региона в 1975-1995 гг. отработана каркас- ная сеть профилей ГСЗ-МОВЗ, включая морские наблюдения (рисунок 1.1). Вся территория региона покрыта гравиметрическими и аэромагнитными съемками. В последние годы акватория Каспия и прибрежная зона покрыта плотной сетью профилей МОГТ, выполненных нефтяными компаниями [20, 21].
Геофизические работы проводились в разные годы разными орга- низациями и решали определенные целевые геологические задачи. Суще- ствующий материал по Каспийской мегаструктуре не систематизирован, интегрированной комплексной интерпретации практически не проведено, особенно в отношении геодинамических характеристик.
Очевидна необходимость переинтерпретации ряда профилей ГСЗ-
МОВЗ с использованием современных технологий и новых представлений о свойствах геологической среды. И в дальнейшем - выполнение обобщающих тематических исследований, создание базы данных по
Каспийскому региону и совокупности разномасштабных геодинамических и геоэкологических моделей.
Выделенные геоблоки по геологическим критериям идентифициру- ются с тремя типами геоструктур:
∙платформенные относительно стабильные (северный мегаблок);
∙орогенные сейсмоактивные (южный мегаблок);
∙переходного типа (центральный мегаблок).
Соответственно выделяются три типа геодинамических эндогенных режимов земной коры и соответствующие им региональные области с определенным типом геоэкологических обстановок.
Выделенные геоблоки, соответствующие им орографические ланд- шафтные области, осадочные чехлы и их гидродинамические системы с различными типами структур (соляной диапиризм на севере, глиняный диапиризм и грязевый вулканизм на юге и брахи-антеклизы-центральной части) образуют I ранг структур и областей (региональный) при гео- экологическом районировании и моделировании.
1 -ГСЗ, непрерывное профилирование; 2 - ГСЗ, кусочно-непрерывное профилирование; 3 -ГСЗ, точечное зондирование на суше; 4 -ГСЗ, точечное зондирование на море; 5 - ГСЗ, с использованием больших взрывов; 6 - ГСЗ-МОВЗ с использованием больших взрывов; 7- ГСЗ-МОВ; 8 - МОВЗ профильные наблюдения; 9 - МОВЗ площадные наблюдения; 10 - КМПВ с длиной годографов более 80-100 км; 11-точечные
определения глубин залегания поверхности М по материалам регистрации промышленных взрывов; 12 - то же по сейсологическим данным
Рисунок 1.1. Карта изученности земной коры территории Каспийского
региона сейсмическими методами Геоблоки разделены глубинными разломами общекавказского про-
стирания, которые выражены в геофизических полях в виде шовных зон, вытянутых линейных и дуговых элементов. Тектоническая структура
шовных зон осложняется развитием секущих правосторонних сдвигов молодого возраста и системой оперяющих разрывов нарушений и трещин.
Внутри и по периферии региональных зон дробления образуется более мелкая блоковая структура.
Разломы, разрывы и трещины вместе с зонами их динамического влияния, ансамблями блоков и поверхностями смещений являются структурами II ранга (зонального).
Как правило, структуры II ранга являются концентраторами высоких тектонических напряжений. Характерные размеры блоков (накопителей потенциальной упругой энергии) 30-150 км. Именно эти блоки и их разломные ограничения являются объектами структурно-геодинами- ческого картирования.
Наиболее потенциально опасными являются зоны активных разло- мов, разделяющие платформенный, орогенный и переходный мегаблоки. В
узлах пересечения разновозрастных дизъюнктивов или резких изгибов разрывных зон выделяются ореолы дробления, участки высокой трещиноватости, водонасыщенности, соляного и глиняного диапиризма, образующие сквозные субвертикальные структуры проницаемости («тру- бы» дегазации глубинных флюидов) и соответствующие им локальные области (структуры) потенциального геоэкологического риска III порядка.
В фазе активизации с этими структурами могут быть связаны каналы возможной миграции флюидов, источники гидротерм и аномалии теп- лового потока, аномально высокие пластовые давления, центры грязевого вулканизма и очаги землетрясений. Как правило, структуры Ш ранга являются излучателями накопленной упругой энергии (в форме быстрых или медленных тектонических подвижек).
Дислокационные структуры III ранга и связанные с ними системы
глубинного дренажа определяют уровень геодинамического фона и общую геоэкологическую специфику структур II ранга (в том числе формируют скрытые глубинные источники экзогенных геодинамических процессов).
Структуры II и III ранга, в свою очередь, определяют общий геодинамический фон и специфику структур I ранга: региональные зоны поднятий и опусканий, пликативные дислокации - молодые растущие антиклинали, напорные артезианские системы, рельеф, тип ландшафта и определенную геодинамическую, геохимическую и геоструктурную специализацию экзогенных процессов в зоне гипергенеза.
Особенности зоны гипергенеза в значительной степени определяют интенсивность проявления опасных геологических процессов и явлений, следовательно, уязвимость объектов нефтегазового комплекса.
Участки развития тектонических узлов, резких изгибов линеаментов, флангов разрывных структур и структур центрального типа (интрузии) достаточно уверенно дешифруются по картам геофизических полей, космофотоснимкам, топокартам при комплексном их рассмотрении вместе с данными сейсморазведки.
Традиционные данные глубинной геофизики дают материал для построения стационарных геолого-геофизических моделей. В последнее время известны ряд технологий, позволяющих создать геодинамические модели с определением параметров напряженного состояния геосреды, аномальной электропроводности (данные МТЗ), удельной энергоемкости, содержания кремнезема (SiO2) и прочностных (реологических) констант.
Это позволяет пересчитать стационарные модели в динамические и получить количественные оценки потенциальной устойчивости - неустойчивости геоблоков.
Создание геодинамических моделей геосреды позволяет перейти к оценкам ее функциональных возможностей при нагрузках и, в частности, к оценке таких свойств среды, как способность формировать крупные резервуары подземных вод, гидродинамические системы их разгрузки, очаги вулканизма и сейсмичности.
Для Каспийского бассейна вероятными глубинными факторами, вли-
яющими на характер регионального, зонального и очагового геодинамического режима и подземной гидросферы являются:
1.Огромные мощности осадочных чехлов внутренних впадин и краевых прогибов с артезианским типом бассейнов. По данным глубинных сейсмических зондирований их максимальная мощность составляет 18-23 км. Значительная часть осадочных толщ представлена высокопористыми глинисто - терригенными формациями. Установлены аномально низкие значения скоростей продольных волн, объемной плотности и
электрического сопротивления пород осадочного чехла, соответственно: 2,5-4,5 км/с; 2,25-2,53 г/см3; 1-50 м/м. Суммарная электропроводность осадочных чехлов достигает 10 000 Ом и более. Малоплотные, пористые,
слоистые породы обуславливают высокий гидродинамический потенциал осадочных толщ.
2.Значительная неоднородность верхней части кристаллического основания, представленного фрагментами герцинского, байкальского и архей-протерозойского фундаментов и контрастные изменения мощности
земной коры (гипсометрия Мохо по периметру и внутри Каспийских впадин изменяется от 35-40 км в северном, северо-западном и южном сек- торах, до 45-50 км в Мангышлакском и Апшеронском блоках). Переход- ный тип коры, большие градиенты мощностей и физических параметров
создают обстановку общей тектонической неустойчивости и условия для формирования внутрикоровых зон очаговой активизации медленных крипповых движений по разломам и сопряженных с ними зон аномально высоких пластовых давлений.
3. Ореолы дробления и участки повышенной трещиноватости, обра- зующиеся в узлах пересечения разновозрастных дизъюктивов и форми- рующихся в виде сквозных субвертикальных проницаемых структур - диаклазов. В обстановке активной тектоники структуры проницаемости земной коры обуславливают высокую миграционную способность флю- идов, диапиризм пластичных пород, грязевый вулканизм и локальные аномалии теплового потока.
Региональная активизация геодинамических процессов приводит, с одной стороны, к усилению сейсмичности и «оживлению вулканов», с другой - к повышению пластового давления. В результате дегидратации
осадочных толщ часть объема подземных вод переходит в поверхностный сток. Оценки показывают, что 1% объема подземной воды, выделившейся при сжатии пород, может привести к подъему уровня моря на 25 метров.
В ретроспективе (за 2000 лет) зафиксированы шесть экстремальных трансгрессий уровня Каспийского моря с амплитудой 7-10 метров. Ре-
альность геодинамического механизма подъема уровня Каспийского моря подтверждается инструментальными наблюдениями за вариациями геогидродеформационного поля в скважинах Кавказско-Каспийского реги- она: перед землетрясениями наблюдаются максимальные значения коле- баний уровня подземных волн с амплитудой, достигающей первых метров, при сжатии пород осадочных толщ.
При выполнении комплексной интерпретации в целях оценки сейсмической (геологической) опасности, в соответствии с изложенной концепцией, целесообразно сначала выделить литосферные блоки с разным геодинамическим (эндогенным) режимом, то есть структуры I ранга, определяющие общий уровень (степень, амплитуду), характер геодинамической активности и вероятность геологического риска.
Далее, внутри этих областей при помощи профиль-площадных наблюдений выделяются структуры II ранга и, соответственно, тоны или области геологического риска и их критерии:
∙контрастные изменения мощностей консолидированной коры на малых базах (100-150 км), то есть градиентные зоны по разным параметрам;
∙наличие высокоскоростной неоднородности в консолидированной
коре с высокими показателями запасенной потенциальной энергии
(~50-80Дж/м3);
∙участки истощенной высокоскоростной мантии с волноводами в земной коре;
∙активные разломы и зоны их динамического влияния;
∙тектонические узлы (двойные и тройные сочленения разрывов);
∙максимальная степень расслоенности и неоднородности;
∙границы блоков.
Внутри структур (районов) II ранга выделяют геоструктуры, конт- ролирующие участки геологического риска Ш ранга, то есть самые опас- ные (собственно очаговые зоны). Их выделяют внутри структур II ранга по признакам современной геодинамической активности, водонасыщенности, наличия глубинных газов, аномального теплового потока, повышенной фоновой сейсмичности. Именно в пределах этих зон ставят мо- ниторинговые наблюдения для прогноза участков с критическими зна- чениями тектонической напряженности.
Большинство месторождений нефти и газа формируются вблизи структур II и III ранга, что может привести к авариям на трубопроводах и смятию колонн буровых труб при разведке и эксплуатации месторож- дений.
Существующая детальность исследований недостаточна для локали-
зации указанных участков с точностью, необходимой для проектирования трубопроводов и скважин. В то же время детального сейсмического районирования морского бассейна и прибрежной зоны не проводилось (в
масштабе 1:500 000 или 1:200 000).
Всвязи с изложенным предлагается на стадии, предваряющей про- мышленную эксплуатацию нефти и газа, провести:
∙глубинные сейсмические исследования ГСЗ-МОВЗ-ОГТ (опорные профили II ранга);
∙электроразведку МТЗ, ЗС по профилям, пересекающим все основные
промысловые площади и перспективные нефтегазовые структуры с построением глубины геоэлектрических разрезов.
Впределах блоков с высоким энергетическим потенциалом или вы- сокими показателями напряженно-деформированного состояния (НДС) отработать в течение 2-3 месяцев площадные расстановки сейсмических станций с построением томографических моделей (3-Д) (скоростная и глубинные структуры) и, в дальнейшем, опираясь на эти данные, закрепить сеть геомониторинга. Мониторинг проводится в течение 1-2 лет с циклом опроса один раз в 7-30 дней для изучения сейсмического режима (фонового, аномального, критического) и вариаций НДС.
Предложенная методика позволит создать базу данных для деталь- ного сейсмического районирования (ДСР), оценить возможные воздей- ствия на контролируемый объект, определить фоновые и аномальные уровни геодинамического режима, выделить динамически активные эле- менты в геологическом разрезе.
На стадии изыскательных работ для трасс планируемых трубопро- водов предлагается провести детальное структурно-динамическое кар-
тирование и комплексную оценку опасных геологических явлений в верхней части разреза (до глубины, определяемой мощностью зоны гипергенеза и положением 1-го опорного горизонта).
Таким образом, важнейшей задачей является разработка эскизного и
технических проектов на геоэкосистему Каспийского региона для практического решения следующих задач:
∙систематизация и анализ существующего фактического материала, создание базы данных и ГИС «Геоэкокаспий-Нефть»;
∙создание унифицированного сводного каталога местной ближней сейсмичности по имеющимся и наблюденным данным локальной сети;
∙определение координат и параметров сейсмоопасных узлов и физико-геологических условий их формирования, создание сейсмотектонической модели (карты) мегасистемы Каспия, как основы для детального сейсмического районирования (ДСР) (на базе геотраверсов ГСЗ-МОВЗ-ОГТ, геофизических полей и геомониторинга);
∙определение фонового, аномального и критического уровней гео- динамического режима;
∙комплексная оценка геоэкологического состояния Каспийского бас-
сейна и районирование территории по сейсмологическим и инженерно-геологическим условиям;
∙разработка предложений по снижению ущерба от опасных геологических процессов и неконтролируемой эксплуатации нефтегазовых месторождений;
∙разработка геодинамической модели экстремальных колебаний уровня Каспийского моря;
∙исследование природно-техногенных факторов, влияющих на эко-
логическую обстановку Каспийского региона и создание модели устойчивого развития экосистемы Каспийского региона;
∙разработки нормативных документов по проектированию защитных мероприятий для объектов нефтегазового комплекса, подверженных геологическому риску.
Впроектах должна быть предложена методика изучения медленных
ибыстрых сейсмичных смещений по тектонически-активным разломам,
сейсмических воздействий и экзогенной геодинамики осадочных толщ в целях обеспечения безопасности при эксплуатации нефтегазовых место-
рождений и трубопроводов в пределах акватории Каспия и сопредельных территорий.
Таким образом, в данном параграфе монографии предложен подход
к решению геоэкологических задач при оценке возможных геодинамических воздействий на объекты нефтегазового комплекса
Северного Каспия. Рассмотрены три уровня геологических объектов структурно - геодинамического картирования, изучена их взаимосвязь. Выделены основные глубинные факторы, определяющие специфичность геодинамического режима региона.
1.3 Экологические проблемы при освоении углеводородного сырья и применение методов геодинамики, линеаментого анализа в решении этих проблем
В настоящее время понятие «геоэкология» трактуется достаточно свободно. Первоначально термин «геоэкология» был введен в научный оборот немецким ученым К. Троллем как наука, изучающая экологию ландшафтов Земли, имея в виду изучение жизни сообществ живых организмов, свойственных определенным типам природной системы (море, атмосфера, лес и т.п.) [22]. Некоторые ученые рассматривают геоэкологию как географическую дисциплину, другие относят геоэкологию к области геологии, а в последнее время многие ученые относят геоэкологию к междисциплинарной сфере наук о Земле, сторонником этого мнения является и авторы настоящей монографии. К
настоящему времени в науках о Земле сформировались новые системные взгляды, обусловленные необходимостью разработки интегральных
моделей взаимодействия между геооболочками и отдельными природными процессами, а также различных сочетаний этих взаимодействий с результатами антропогенной деятельности.
В работе [23] эти представления обобщены и рассматривается несколько подходов, используемых специалистами в толковании термина «геоэкология».
Экосистемный подход, развивающий начальные представления определяет геоэкологию как отрасль науки, изучающую не только геологическую и географическую среды, ни и живое вещество через экосистемы различных структурных и иерархических уровней,
исследующую экологические системы биосферы в теоретических и практических (природоохранных) целях.
Литосферный (геологический) подход трактует геоэкологию как науку, изучающую закономерные изменения геологической среды и ее компонентов под влиянием внешних сред. В качестве объекта изучения выделяется неживое вещество - геологическая среда: живое вещество при данном подходе не рассматривается.
Так или иначе, объектом геоэкологии выступают территориальные комплексы (геосистемы), включающие как природные, так и антропогенные компоненты. Предметом исследования геоэкологии являются последствия воздействия хозяйственной деятельности, например
деятельности объектов нефтегазового производства на геосистемы и реакция геосистемы на эти воздействия.
Наращивание добычи нефти и газа, наблюдаемое в последнее время на месторождениях Атырауской области, проводимая разведка и
планируемая промышленная добыча огромного запаса углеводородов на Казахстанском секторе Каспийского шельфа, обеспечивающее лидерство Казахстана на мировом рынке углеводородного сырья, сопровождается активизацией опасных процессов и явлений, приводящей к кризисному состоянию окружающей природной среды. Предупреждение опасных
природных процессов и критических состояний инженерных объектов может быть эффективным только при использовании современных технологий принятия решений на основе анализа причинно-следственных связей в системе «природная среда - человек - техногенный комплекс».
В то же время практика управления охраной окружающей среды показывает, что большое внимание традиционно уделяется не причинам, а следствиям. В результате продолжает снижаться качество среды обитания, сдерживается развитие нормативно-методической базы экологически сбалансированного природопользования, а с точки зрения средне- и
долгосрочного планирования такие методы управления становятся экономически невыгодными.
Следствием стратегии, диктуемой стремлением к достижению скорейших экономических выгод, являются многочисленные аварии и катастрофы техногенного и природно-техногенного характера. В этом отношении не является исключением и нефтегазовая отрасль, на объектах которой происходит множество аварий. До недавнего времени
большинство аварийных ситуаций связывалось в основном с причинами технологического характера. И только в последнее время наметился пересмотр взглядов на роль геодинамического фактора при оценке рисков.
Исследования в рамках нового научного направления - современной геодинамики - убедительно доказывают, что весьма опасными для
человека и среды его обитания являются современные деформационные процессы, протекающие в зонах активных разломов. В настоящее время разрабатывается научно-методическая база, отвечающая современным
требованиям государственной службы технадзора и осуществляется пересмотр с новых геодинамических позиций, устаревших нормативных документов на проектирование, строительство и эксплуатацию экологически опасных и особо ответственных промышленных объектов.
Важной частью разработок является изучение возможностей использования аэрокосмической информации для оценки эколого -
геодинамической опасности и обусловленного ею геоэкологического риска функционирования этих объектов на разных этапах освоения углеводородных месторождений. Особую практическую значимость это
имеет для изучения экологически чувствительной акватории Северного