Введение

В пределах мелководного (глубина моря менее 100м) шельфа Печорского и южной части Карского морей находятся крупные месторождения углеводородов и планируется строительство систем транспортировки нефти и газа. В ходе инженерных изысканий, выполненных Открытым Акционерным Обществом «Арктические Морские Инженерно-Геологические Экспедиции» (ОАО АМИГЭ) в рамках проектов освоения данных месторождений,  а также для строительства систем транспортировки углеводородов, был выявлен ряд специфических природных факторов, осложняющих инженерно-геологические условия. Прежде всего это наличие многолетнемерзлых льдистых пород, газонасыщенных грунтов и приповерхностных зон аномально высокого давления (АВПД). Наименее изученным и наиболее существенным из этих рисков, особенно значимым при бурении скважин на нефть и газ, являются зоны АВПД в верхней части разреза. 

Строение верхней части разреза

Верхняя часть разреза (до глубины 100м ниже поверхности дна) данного региона сложена в основном четвертичными отложениями. В составе четвертичной толщи выделен ряд статиграфо-генетических комплексов (снизу вверх):

Нижненеоплейстоценовые аллювиальные пески -  вскрытая мощность- до 30м. Глубина залегания кровли- 30-110м. Широко развиты на открытых мелководных шельфах Печорского и южной части Карского морей. Состав от пылеватого до гравелистого.т пылеватого до среднего.о-суглинистого оторфованного материала. межледниковье, в Карском море коррелируются с казанцевской сви

Средне-нижненеоплейстоценовые ледово-морские суглинки и глины (коррелируются с роговской и салехардской свитами прилегающего побережья)- мощность до 20-50 до более 100м. Развиты в виде практически сплошного покрова. Глубина залегания кровли- от 20-30 до более 100м. Имеют в основном твердую-полутвердую консистенцию, характерно наличие крупнообломочных включений.

Верхненеоплейстоценовые морские глины и суглинки (казанцевско-микулинское межледниковье, в Карском море коррелируются с казанцевской свитой прилегающего побережья)- мощность от 20-30 до более 100м. Глубина залегания кровли от 5-10 до 30-50м. Залегают плащеобразно в виде сплошного покрова. В Обской и Тазовской губах практически полностью размыты. Характерно огрубление состава вверх по разрезу. В прикровельной части встречаются прослои песка мощностью до 1м. Консистенция- в основном мягко-тугопластичная.

Верхненеоплейстоценовые аллювиальные пески (зырянско-ранневалдайское время, в Карском море коррелируются с зырянским горизонтом прилегающего побережья)- мощность до 20-30м. Заполняют палеоврезы в кровле подстилающих образований. Глубина залегания кровли- до 50м. В Обской и Тазовской губах полностью размыты. Часто наблюдаются прослои глинисто-суглинистого оторфованного материала. Состав от пылеватого до среднего.

Верхненеоплейстоценовые аллювиально-морские глины и суглинки (каргинско-средневалдайское время, в Карском море коррелируются с каргинским горизонтом прилегающего побережья)- мощность до 10-50м. Заполняют палеодепресии, приуроченные к зырянским палеоврезам. Глубина залегания кровли от менее 1 до 10м. В Обской и Тазовской губах полностью размыты. В нижней части толщи характерна тонкая ритмичная слоистость. Отмечаются мелкие линзы и тонкие прослои, насыщенные гидросульфидами железа и марганца. Конситенция- в основном текучая-текучепластичная.

Верхненеоплейстоценовые озерно-аллювиальные пески (сартанско-верхневалдайское время, в Карском море коррелируются с сартанским горизонтом прилегающего побережья)- мощность до 2-5м. Заполняют мелкие палеворезы.  палеоврезам. Глубина залегания кровли от менее 1 до 10м. В Обской и Тазовской губах  полностью размыты. Состав от пылеватого до мелкого. Характерно наличие оторфованных мелких линз и прослоев.

Древнеголоценовые аллювиальные пески- мощность до 30-40м. Развиты в Обской и Тазовской губах, а также в Енисейском заливе. Заполняют древние реченые долины. Глубина залегания кровли до 20-30м и более. Состав изменяется от пылеватого до среднего. В верхней части толщи наблюдаются прослои глинисто-суглинистого состава.

Современные аллювиально-морские глинисто-суглинистые осадки и илы-  мощность до 20-30м и более. Развиты в Обской и Тазовской губах, а также в Енисейском заливе. Консистенция текучая-текучепластичная.

Современные морские осадки-  мощность в основном 1-5м. Повсеместно развиты в пределах данного региона (за исключением эстуариев). На большей части площади преобладают суглинки и супеси. В мелководных прибрежных районах суглинисто-супесчаные грунты замещаются песками разнообразного состава и крупнообломочными образованиями.

Многолетнемерзлые породы и газонасыщенные грунты

Проблема  многолетнемерзлых пород Баренцево-Карского шельфа начала обсуждаться с 80-х годов прошлого века [6]. Первые прямые данные, подтверждающие  наличие здесь многолетнемерзлых льдистых образований, были получены при бурении, проведенном ОАО АМИГЭ с припайного льда у побережья п-ва Харасавэй и с буровых судов в Печорском море на площадях месторождений Поморское и Варандей-море [8]. Позднее бурением были обнаружены многолетнемерзлые породы в районах структуры Полярная, месторождениях Медынское-море, Русановское, а также в Байдарацкой губе и  других районах (Рис. 1).

В основном мерзлые грунты были вскрыты при глубинах моря 15-25м. Чаще всего кровля многолетних льдистых отложений залегает в интервале 20-30м ниже поверхности дна в Печорском море и от 8-12 до 20-30м в Карском. Наблюдаемая в скважинах мощность составляет, как правило, 20-40м.

            Предполагается, что мерзлые льдистые отложения шельфа Печорского и Карского морей являются в основном реликтовыми. Вероятно они образовались в позднем криохроне (верхневалдайско-сартанское время). В течение этого времени произошла регрессия, при которой уровень моря понизился до отметок около -100м. Последующая трансгрессия привела к существенному растеплению и таянию мерзлоты от кровли вглубь по разрезу. Предполагается, что в настоящее время реликтовый мерзлый массив испытывает медленное таяние от подошвы вверх по разрезу под воздействием внутреннего тепла Земли. К сегодняшнему дню мерзлый реликт в значительной степени деградировал и на многих участках полностью протаял [1].

В пределах рассматриваемого региона практически повсеместно отмечается присутствие свободного газа [1, 3, 4, 8]. Об этом свидетельствуют зоны латеральной потери сейсмической корреляции на временных разрезах сейсмоакустического профилирования, амплитудные аномалии типа «яркое пятно», зоны обращения фаз отраженного сигнала и различные акустические неоднородности. В кернах скважин о наличии газа говорят, прежде всего, вздутие образцов, выделение пузырьков на поверхности и характерный резкий болотный запах. Также с наличием газа связываются отдельные случаи выбросов из инженерно-геологических скважин.

О наличии в грунтах свободного газа также свидетельствую пониженные скорости распространения упругих колебаний. Скорости распространения продольных волн в разрезах, включающих мерзлые льдистые и газонасыщенные грунты (по данным вертикального сейсмического профилирования) изменяются от 800 до 2800м/c. Минимальные значения приурочены к интервалам газонасыщенных осадков, максимальные- к многолетнемерзлым грунтам, а также к интервалам, которые сцементированы минеральными новообразованиями (Рис. 2).

Сопоставление материалов бурения и сейсмоакустического профилирования показывает, что на открытом шельфе Печорского и юго-западной части Карского морей распределение газа контролируется главным образом соотношением в разрезе толщ аллювиально-морских каргинско-средневалдайских глин и зырянско-нижневаладйских аллювиальных песков.

На участках, где развит мощный покров каргинско-средневалдайских аллювиально-морских глин, на временных разрезах строение осадочного разреза прослеживается вплоть до подошвы данной толщи (Рис. 3). В каргинско-средневалдайской толще  отмечается характерная четкая внутренняя акустическая слоистость, осложненная складчатостью. В самой подошве наблюдаются обильные скопления газа. Это выражается в усилении амплитуд отраженного сигнала и частичной потере корреляции. Подстилающие аллювиальные пески зырянско-нижневалдайского горизонта в кровле полностью насыщены свободным газом, который блокирует распространение упругих колебаний.

Локальные скопления газа отмечаются  и внутри каргинско-средневалдайской глинистой толщи. В основном они приурочены к антиклинальным изгибам слоев («мини-ловушкам»).

На участках, в границах которых каргинско-средневалдайские толщи  выклиниваются и к поверхности дна выходят газонасыщенные зырянско-нижневалдайские пески, картина иная (Рис. 4). Здесь ниже подошвы маломощного покрова голоценовых осадков полезные отражения на временных разрезах не прослеживаются (верхняя граница сплошного газонасыщения совпадает с подошвой голоценовой толщи).

Сходная картина наблюдается на участках, где под поверхностью дна залегают казанцевско-микулинские отложения, представленные стабилизированными переуплотненными суглинкам и глинами (Рис. 5). Поскольку эти образования также являются акустически непроницаемыми, то ниже их кровли полезные отражения не наблюдаются. Отмечаются лишь локальные неоднородности в виде усиления амплитуд и, нередко, сопровождаемые дифракционными осями. Вероятно эти неоднородности также связаны со скоплениями свободного газа.

В пределах области, расположенной в границах эстуариев Оби и Енисея, в распределении газа в осадках наблюдается механизм насыщения грунтов газом иной. Здесь газ генерируется собственно толщей современных аллювиально-морских осадков. Характер газонасыщения в пределах данной области контролируется содержанием в современных осадках органического вещества, продуцирующего газ [5].

Практически все факты обнаружения многолетнемерзлых пород приурочены к мелководной области сплошного газонасыщения (Рис. 1). Наличие географического совпадения между зонами распространения многолетнемерзлых пород и газонасыщенных осадков позволяет допустить парагенетическую связь между этими двумя явлениями [1]. Предполагается, что насыщение отложений верхней части разреза свободным газом произошло в результате таяния мерзлых толщ в ходе трансгрессии современного бассейна.

Сформированная при регрессии мерзлая толща выступала как покрышка, сдерживающая вертикальную миграцию биогенного газа из глубины вверх по разрезу. Достигнув подошвы мерзлой толщи этот газ, не имея возможности к дальнейшей миграции по вертикали, накапливался в достаточно больших количествах. После деградации мерзлой толщи, которая вероятно протекала довольно быстро, скопившийся газ практически мгновенно распределился по разрезу вышележащих протаявших осадков.

Посткриогенное распределение газа по осадочному разрезу определялось коллекторскими свойствами слагающих его отложений. Аллювиальные пески раннего термохрона выступили при этом как коллекторы. Малопроницаемые каргинско-средневалдайские глины, а также казанцевско-микулинские глинисто-суглинистые образования сыграли роль покрышек. В силу этого пески-коллекторы оказались насыщенными газом полностью, а глинисто-суглинистые образования содержат в своем составе лишь его локальные скопления. Последние приурочены к проницаемым линзам и прослоям внутри глинисто-суглинистых толщ, а также к ослабленным зонам, связанными с антиклинальными складками (Рис. 3). Вероятно такие скопления являются результатом вертикальной миграции газа из подстилающего песчаного горизонта.

Механизм формирования приповерхностных зон АВПД

В обычных «классических» ситуациях АВПД встречаются на глубинах более 1000м [7]. Как известно они, главным образом, приурочены к слоям глинистого состава. Основной причиной формирования зон АВПД на больших глубинах является затрудненный отжим порового флюида из пористого пространства слабопроницаемых глин под действием горного давления. Очевидно, что на глубинах менее 100м величина  горного давления будет недостаточной для формирования описываемого явления. Следовательно, механизм образования АВПД в верхней части разреза отличается от «классического».

При бурении инженерно-геологических скважин в пределах мелководных районов Печорского и юго-западной части Карского морей отмечались выбросы газо-водяной смеси со взвешенными грунтовыми частицами. Выбросы происходили в диапазоне глубин от 20 до 50м ниже поверхности дна (весьма малые глубины для такого явления). Несомненно, что эти выбросы связаны с интервалами газонасыщенных осадков, имеющих АВПД.

Технология инженерно-геологического бурения не позволяет оценить давление в интервалах газонасыщенных осадков. О его величине можно судить лишь на качественном уровне по характеру и интенсивности выбросов (в основном по высоте фонтана газо-водяной смеси над устьем скважин). По этому признаку было отмечено, что довольно интенсивные и мощные выбросы (высота фонтана над устьем до 1-2м) имели место в интервалах, приуроченных к интервалам песчаного состава внутри толщи казанцевско-микулинских стабилизированных глин и суглинков тугопластично-полутвердой консистенции. По всей видимости стабилизированные и относительно консолидированные глинистые образования играют роль флюидоупоров (покрышек). Эти покрышки препятствуют рассеиванию и способны сдерживать относительно высокое избыточное давление,  создаваемое газом во внутренних проницаемых интервалах песчаного состава, играющих роль коллекторов.

Менее интенсивные выбросы имели место из зырянских песков (высота фонтана менее 1м). Они происходили на участках, где эти пески залегали в виде обособленных линз, приуроченных к мелким врезам в кровле казанцевской толщи. Сверху данные линзы перекрыты каргинскими образованиями. Каргинские образования, являясь нестабилизированными слабоконсолидированными глинистыми грунтами текучей-текучепластичной консистенции, не могут сдерживать высокого избыточного давления, которое создается газом в подстилающих зырянских песках. Соответственно избыточное давление, создающиеся в таких условиях, будет более низким по сравнению с давлением, которое образуется в песчаных интервалах внутри толщи относительно консолидированных казанцевских глинисто-суглинистых отложений. 

Наиболее мощный и интенсивный выброс наблюдался при бурении инженерно-геологической скважины на  объекте «Диапиры» (восточная часть Печорского моря, около 70км к юго-западу от пролива Карские Ворота) [2]. В районе этого объекта на поверхности дна широко развиты изометричные в плане диапироподобные поднятия с превышением до 30-50м при ширине основания до 70-100м (Рис. 6). На сводах этих поднятий, при глубине менее 0.5м ниже дна, бурением были вскрыты мерзлые льдистые грунты. На участках между поднятиями также распространены льдистые отложения. Однако здесь их кровля залегает на глубине около 20-30м.

Всего в районе объекта «Диапиры» было пробурено четыре инженерно-геологических скважины. Две из них пройдены на присводовых частях диапироподобных поднятий. Наиболее глубокой из этих скважин вскрыла, начиная от поверхности дна до глубины около 100м, монотонную мерзлую толщу предположительно микулинских морских глин и суглинков.

Четвертая скважина была пробурена на участке между диапироподобными поднятиями. Этой скважиной кровля многолетнемерзлых пород, представленных микулинскими глинами, была вскрыта на глубине 20.2м ниже поверхности дна. В процессе дальнейшего бурения с глубины около 49.5м ниже поверхности дна произошел мощный выброс газо-водяной смеси. Высота фонтана достигала более 10м. Вокруг судна образовался «котел кипения» диаметром около 150-200м, внутри которого наблюдалось бурление воды с пузырьками газа и взвешенными грунтовыми частицами.

Из-за попадания газа в систему охлаждения силовой установки буровое судно потеряло ход и управление, что привело к обрыву колонны бурильных труб и смещению с точки скважины. В результате насыщения морской воды пузырьками газа изменились ее свойства.  Это привело к тому, что вышла из строя гидроакустическая система динамического позиционирования, а также произошла частичная потеря плавучести самого судна.

Вероятнее всего причиной данного выброса явилось вскрытие скважиной приповерхностного кармана, содержащего большое количество газа с АВПД. По видимому этот карман приурочен к песчаной линзе, залегающей внутри или в основании толщи многолетнемерзлых микулинских глин. Очевидно, что мерзлые глины обладают значительно более высокой прочностью и меньшей проницаемостью по сравнению с их талыми аналогами. Соответственно внутри их толщи или под ее покровом могут создаваться относительно высокие давления.

В связи с этими обстоятельствами возникает вопрос о генезисе самих диапироподобных поднятий. Предполагается, что рассматриваемые структуры возникли в результате деформаций осадочной толщи под давлением газа. На основании данных бурения можно предположить, что скопления газа с АВПД содержатся в разрозненных песчаных линзах (Рис. 6в). Эти линзы развиты на участках относительно ровного дна, разделяющих диапироподобные поднятия. Вероятно при снижении горного давления в результате колебаний уровня моря, сейсмических сотрясений, волнения и т.п. газ, защемленный в локальных коллекторах (песчаных линзах), расширяется, а его давление на вмещающий флюидоупор в виде мерзлых глин увеличивается. Последнее вызывает деформации в осадочной толще и выжимание вмещающих отложений в латеральном направлении и вверх по разрезу. При этом в первую очередь мобилизуются наиболее льдистые и, соответственно, пластичные  (при достаточно больших давлениях) разности. В результате таких деформаций и выжимания к поверхности дна высокольдистых образований формируются поднятия с ледогрунтовыми присводовыми частями.

Заключение

Очевидно, что наличие приповерхностных зон АВПД следует считать опасным геологическим явлением. Особенно важно учитывать этот фактор при строительстве скважин, нацеленных на поиски, разведку и добычу углеводородов. Газоотводное оборудование и системы подавления выбросов при бурении таких скважин можно установить только после забуривания направляющей колонны и установки кондуктора. Глубина установки направления составляет обычно несколько десятков метров, а кондуктора до 500-600м. Поскольку на этих глубинах и встречаются описываемые явления, то существует вероятность того, что в интервале, перекрываемом направляющей колонной и кондуктором, может залегать интервал с АВПД. При вскрытии такого интервала  произойдет выброс газа  большей или меньшей интенсивности. Это может привести к возникновению серьезных аварийных ситуаций, связанных с возможностью пожара, выхода из строя гидроакустических систем динамического позиционирования и т.п.  

Литература:

1. Бондарев В.Н., Длугач А.Г., Рокос С.И., Костин А.Д. Акустические фации посткриогенных обстановок мелководных районов Печорского и Карского морей // Разведка и охрана недр. 1999. №7-8. С. 10-14.

2. Бондарев В.Н., Рокос С.И., Длугач А.Г., Костин Д.А., Полякова Н.А. Подмерзлотные скопления газа в верхней части осадочного чехла Печорского моря // Геология и геофизика. 2002. Том 43. №7. С. 587-598.

3. Печорское море, системные исследования. М.: Издательство «Море», 2003, 502с.

4. Рокос С.И., Костин А.Д., Длугач А.Г. 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.

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

6. Соловьев В.А., Гинзбург Г.Д. и др. Криотермия и гидраты природного газа в недрах Северного Ледовитого океана. Л.: ПГО «Севморгео», 1987. 150 с.

7. Хант Дж. Геохимия и геология нефти и газа. М.: Мир, 1982. 704 с.

8. Gritsenko I.I., Bondarev V.N. Subsea permafrost, gas hydrates and gas pockets in Cenozoic sediments of the Barents, Pechora and Kara Seas // Preprint 4-th World Petroleum Congress, topic 6, Stavanger, 1994

Ссылка на статью:

Рокос С.И. Инженерно-геологические особенности приповерхностных зон аномально высокого пластового давления на шельфе Печорского и южной части Карского морей // Инженерная геология. 2008. № 4. С. 22-28.