книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

В далекие времена на Зем ле сущ ествовал единый суперконтинент. Позже под воздействием внутренних сил суперконтинент разделился на несколько материков. П ервы м основанием для такой идеи послуж и ­ ло наблю даю щ ееся повторение их береговых линий. Если сблизить не­ которые континенты, то они плотно войдут один в другой. С ерьезны м аргументом в пользу континентального дрейф а является располож е­ ние палеомагнитных линий. Горные породы сохраняю т ориентировку намагниченности, полученную ими в период перехода из расплава в твердое состояние. Если м атерики сдвинуть так, чтобы они образовали единый континент, то все направления палеомагнитных линий сходят­ ся в точке магнитного полюса.

Не исключено, что в раннем периоде своей истории (архейском) З ем ­ ля имела разм еры Луны. На ранних стадиях развития Зем ля росла м ед­ ленно, далее по мере увеличения массы рост ускорился и достиг м акси ­ мальной интенсивности в современную эпоху. Радиус палео-Зем ли, рав ­ ный 4100 км, соответствует радиусу ш ара с поверхностью , площ адь которой равна площ ади современной м атериковой земной коры. Эта величина радиуса соответствует началу образования на Зем ле океанов. Поэтапное становление земной коры представлено на рис. 2.15.

О внутреннем строении Зем ли мы знаем меньш е, чем о внутреннем строении звезд. На основании анализа распространения в Зем ле упру ­ гих волн сделаны следую щ ие заклю чения. Зем ная кора, находящ аяся в кристаллическом состоянии, им еет мощность до 60 км на континентах и до 15 км в океанах. Второй слой (верхняя и ниж няя мантия) простира­ ется до глубины 3000 км.

А, млн км2

3 I

«

3

о

Рис. 2.15. Непрерывная последовательность образования земной коры (глав­ ная геологическая закономерность) [17]:

I — участок океанического порообразования; 2 — начало океанического и продолжение материкового формирования коры; 3—становление кон­ тинентальной коры

От полюса к экватору сила тяж ести ум еньш ается на 1 /190 от д. Если бы Зем ля вращ алась в 17 раз бы стрее, то центробеж ная сила превы си ­ ла бы силу тяготения и Зем ля р азл етелась бы на обломки. В одной и той ж е точке сила тяж ести такж е непостоянна и периодически изм еняет­ ся. Главный период таких колебаний близок к половине суток. Это про­ исходит от возмущ аю щ его п ри тяж ен и я Л уны и Солнца.

2 .4 .2 . Л у н н о -с о л н е ч н ы е п р и л и вы

Л унная орбита имеет ф орм у эллипса: расстояние м еж ду Зем лей и Луной изм еняется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Орби­ тальны й период Л уны составляет 27,3 суток. С оздаваем ая Луной сила тяготения воздействует на океаны и на суш у, но горные породы более вязкие, поэтому эф ф ект лунного прилива в породах менее значительный.

П риливы вращ аю тся вместе с Зем лей и не сохраняю т свое полож е­ ние «под Луной». П риливы медленно смещ аю тся по поверхности Зем ­ ли, следуя за Луной. В целом на каж ды й участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.

Солнце тож е создает приливы , но они гораздо слабее лунны х при ­ ливов, потому что оно в 400 р аз дальш е от Зем ли. Когда Солнце, Зем ля и Л уна находятся на одной прямой и «тянут» в одном направлении (во врем я новолуния и полнолуния), приливы достигаю т наивы сш ей силы. Это так назы ваем ы е сизигийные приливы . Не случайно 49 % сильных зем летрясений приурочено к сизигиям.

Схема приливной эволю ции системы З ем л я — Л уна базируется на том ф акте, что и з-за сил приливного трения постепенно изменяю тся ди ­ намические характеристики системы. Ф акт «векового» зам едления вра­ щ ения Зем ли был установлен давно: каж ды е 50 000 лет земны е сутки увеличиваю тся на 1 секунду.

П ри вращ ении Зем ли более быстром, чем обращ ение Луны, угловое перемещ ение приливной деф орм ации оп ереж ает угловое перемещ ение Л уны по орбите. Вращ ение Зем ли смещ ает вы пуклость прилива впе­ ред, ускоряя орбитальное движ ение Луны. П оэтому гравитационное взаим одействие м еж ду Луной и приливной деф орм ацией гидросферы и литосф еры ускоряет орбитальное движ ение Л уны и торм озит вра­ щ ение Земли. Зем ля 2 м лрд лет назад вращ алась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.

Когда Луна окаж ется с противоположной стороны Зем ли относитель­ но первоначальной точки, в этой точке снова начинается прилив. Такое

явление обусловлено тем, что при движ ении по орбите Луна вы зы вает смещение центра масс системы Л уна— Земля. Больш е всего сместятся массы, для которы х Л уна в зен и те Z,

	меньше — центральны е м ассы , и ещ е	ЛунаХ
	меньше — массы, для которы х Л уна в
		N t r ^ H l Z
	надире N (рис. 2.16).	*Океаны Орбита/Луны
	Наибольший подъем земной поверх­	Рис. 2.16. Схема лунного прилива
	ности под во зм у щ аю щ и м д е й ст в и е м

Луны достигает 36,6 см, н аи б о льш ее опускание — 17,8 см. Р еальн ая деф орм аци я Зем ли приливной волной в

области экватора имеет м аксимальную ам плитуду 52 см, а на ш ироте 50* — 40 см. Таким образом, Зем ля непрерывно пульсирует. Эти п ер е ­ мещения очень медленные: 4 см /ч. О кеанические приливы в некоторы х областях Земли достигаю т нескольких метров.

Из-за эллиптической ф орм ы лунной орбиты приливообразую щ ая сила Луны в перигее на 40 % вы ш е, чем в апогее. В начале января З ем ­ ля достигает точки наибольш его п риближ ен ия к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий (перигея и перигелия) сум ­ марная приливообразую щ ая сила Л уны и Солнца достигает м акси ­ мума. Видимо, не случайно м аксим альная сейсм ичность приходится на зимний период. Н ап ри м ер, с 1946 по 1963 гг. на К а в к а зе п рои зош ­ ло 867 землетрясений, из которы х на весну приш лось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 зем летрясения.

Приливная эволюция системы Зем л я — Луна приводит к сущ ествен­ ным изменениям условий на поверхности и внутри Земли, преобразу­ ющих лик Зем ли, м еняю щ их клим ат и х ар ак тер осадконакопления. Приливная сила «разрабаты вает» деф екты в горной породе, подверж ен­ ные ее воздействию. В этом смы сле она подобна вибрации, которая р а ­ ботает на протяж ении всей геологической истории Земли.

Под действием приливны х сил сф ерическая оболочка земной коры деформируется в вы тянуты й эллипсоид с главной осью, направленной на Луну. Оболочка земной коры находится в постоянно поддерж ивае­ мом извне знакопеременном напряж енном состоянии; основная перио­ дичность изменения напряж енного состояния близка к половине суток. Согласно оценкам, напряж ение на экваторе, вы званное приливной вол­ ной, изменяется в диапазоне 5000 П а/ц и кл . П ри прохож дении прилив­ ной волны в системе блоков остается некоторая необратимая д еф орм а­ ция. Можно сказать, что приливны е силы закачиваю т в земную кору сейсмическую энергию.

П риливы непреры вно подкачиваю т упругую энергию в систем у блоков, слагаю щ их земную кору. П риливная энергия н акап ливается в земной коре в виде н ап ряж ен и й изгиба, кручения, сдвига и сж атия. П остепенно равновесие в ансам бле блоков становится неустойчивым . В какой -то момент происходит сейсм ический сры в и переупаковка блоков — их переход в новое равновесное состояние. В отдельны е годы сильны е зем л етр ясен и я происходят почти по граф и ку полнолуний и

новолуний.

Солнечные и лунны е приливы постоянно «массируют» земную кору и содерж ащ иеся в недрах флю иды . П риливы «тренируют» нефть, не дают ей застаиваться, разруш аю т ее коагуляционную структуру сла­

быми импульсами.

2.4.3.	Г ео д и н а м и к а зе м н о й к о р ы и д о б ы ч а у гл е в о д о р о д о в
	По данным ООН за последние три десятилетия ущ ерб, нане­

сенный природно-техногенными катастроф ам и, увеличился в три раза. К числу м алоизученны х явлений природно-техногенного происхож де­ ния следует отнести геодинамические явления, которые связаны с ос­ воением недр. В последнее врем я внимание специалистов стали при­ влекать ф акторы риска в районах интенсивной неф тегазодобы чи — катастроф ические явления, спровоцированные разработкой м есторож ­ дений.

В настоящ ее врем я инструм ентально доказано, что аномальны е из­ м енения флю идного и тем пературного реж им ов осадочного чехла, ло­ кализованны е сейсм опроявления и аварии на пром ы слах прямо или косвенно связаны с изменением напряж енно-деф ормированного состо­ яния (НДС) земной коры. Эволю ция современной геодинамики земных недр позволяет по-новому см отреть на многие природны е явления и реш ать прикладны е задачи нефтепромы словой геологии.

При рассмотрении динамики земной коры использую т модель, ко­ торая вклю чает в себя глобальную систему из 15 тектонических плит: Е вразийская, А ф риканская и др. (см. рис. 2.14). В наиболее активных сейсмических зонах плиты имею т меньш ие разм еры : И ндийская, А ра­ вийская и др. Основные геологические события происходят по грани­ цам тектонических плит. В тех м естах, где плиты сталкиваю тся (зоны субдукции), развиваю тся больш ие тектонические напряж ения, изм е­ няется рельеф , ф ормирую тся горы, происходит вулканическая деятель­ ность, активизирую тся сейсм ические события.

Изменение напряж енно-деф орм ированного состояния недр и как следствие изменение флюидного реж им а за счет движ ения земной коры подтверждается комплексом наблю дений вблизи границы столкнове­ ния Евразийской и А равийской тектонических плит (рис. 2.17). К ак р е ­ зультат этого столкновения образовались молодые К авказски е горы. История геодинамического развития К авказа связана с началом ф о р ­ мирования в кайнозое риф та в районе Красного моря. Динамическое влияние Аравийской плиты, которая дви ж ется в северо-восточном на­ правлении, проявляется в горизон тальных сж имаю щ их деф орм аци ях в пределах К авказского и Каспийского регионов.

36

42

48

54

60

Рис. 2.17. Изменение направления движения Аравийской плиты во времени:

1 — направление осей альпийских складок; 2 — главные надвиги; 3 — главные сдвиги; 4 — изменение направления движения плиты

Характерно, что скорости спрединга (расхож дения) в п р ед ел ах рифта Красного моря и скорости сж ати я в пределах К авказа близки по величине и составляю т 1,5— 2,0 см /год. Т ектоническая активность этой территории вы р аж ается в зн ачительны х горизонтальны х (сж а ­ тие) и вертикальны х (возды м ание) движ ениях . Эта активность наш ла свое отражение в м орфологическом облике надвиговы х структур и в избирательном распределен и и зон с аномально высоким пластовы м давлением.

На территории А равийско-К авказского региона зем летрясения про­ являются с большой частотой (рис. 2.18). Глубина их очагов не превы ­

ш ает 10— 15 км и находится в низах палеозойского ф ундам ента. П рак­ тически все сильны е зем л етр ясен и я приурочены к зонам разломов. М еханизм больш инства зем летрясений — сколы, то есть движ ения по пологим плоскостям.

Рис. 2.18. Карта эпицентров сильных землетрясений (магнитуда 4,5) на тер­ ритории Аравийско-Кавказского региона за период 1961—80 гг.

Современные геодинамические процессы в литосф ере — это мощ­ ные по энергетике природны е процессы (см. табл. 2.1). А ктивность р аз­ ломов на глубинах 2— 5 км определяю т сущ ествую щ ие там относитель­ ные деф орм ации со значен иям и п • 1СГ5 и напряж ен ия 10—20 МПа. Эти напряж ен ия не всегда учиты ваю тся в расчетах надеж ности неф тепро­ мысловых объектов и прочности обсадных колонн эксплуатационных скважин.

Ф лю иды, как наиболее подвиж ная компонента литосф еры , чутко реагирует на движ ение земной коры и изм енение напряж енно -деф ор ­ мированного состояния (НДС) недр. П риродны й геодинамический ф ак ­ тор им еет мощное влияние на ф лю идодинамическую систему осадоч­ ного чехла. Эта закономерность многократно подтверж дена наблюде-

ниями. Например, на м есторож ден иях Т ерско -К аспийского прогиба максимальная добыча н еф ти совпала по врем ени с состоянием, когда весь Кавказский регион испы ты вал усилия сж атия со стороны А равий ­ ской плиты. Подобная синхронность м еж ду максимумом добычи и со­ стоянием сж атия земной коры наблю далась на всех пром ы слах К ав к аз­ ско-Каспийского региона (рис. 2.19).

После наблюдавшегося снятия в 1978 г. тектонического напряж ения с горных пород пластовое давление в неф тегазовы х зал еж ах упало бо­ лее чем на 25 МПа, в резу л ьтате чего произош ел резкий спад добычи нефти по всем нефтегазовы м объе­ динениям К аспийского региона.

При этом наблю далась м играция процесса спада добычи и з А зе р ­ байджана в Д агестан и д а л е е в Казахстан.

Совместный а н а л и з ге о д ези ­ ческой и промысловой и н ф о р м а ­ ции показал, что в п р ед ел ах у ч а ­ стков поднятий п о вер х н о сти до 32 мм (состояние тектонического сжатия) добыча неф ти имела тен ­ денцию к увеличению. В пределах оседающих до 16 мм участков (ос­ лабление усилий сж ати я или со­ стояние растяж ения) наблю далось резкое снижение добычи нефти.

Рис.2Д9.Объемы добычи нефти из сква­
жинразных месторождений Кавказско-
Каспийскогорегиона за 1946—64 гг.[46У
] — уровень подземных вод в скважине
Астраханская; 2 — уровень Каспийско­
го моря; 3—10— добыча нефти: 3 — сум­
марная по региону, 4 — Азербайджан,
5 — Мангышлак, 6—Туркмения, 7 —Тур-
кменнефть, 8 — Азнефть, 9 —Эмбанефть.	Годы
10 — Дагестан

М еханизм воздействия современного напряж енного состояния зем ­ ных недр на флю идный реж им зал еж ей можно сравнить с механизмом отж им ания наполненной водой губки. П ри оказании на нее внешнего давления (сж атии) из губки вы ж и м ается вода, а при отсутствии давле­ ния губка способна впитать больш ой объем воды. При планировании закачки ж идкости в пласты горных пород необходимо учиты вать про­ странственно-врем енны е особенности динамики тектонических напря­ жений.

В периоды сж атия пород геодинамически активны х месторождений наруш аю тся традиционные зависимости пластового давления и темпе­ ратуры от глубины. Так, на Терско-С унж енском месторождении значе­ ния пластового давления и тем ператур в верхнемеловы х зал еж ах пре­ вы ш али их нормальные значения на 10— 20 МПа и на 7— 15 "С (рис. 2.20).

Рис. 2.20. График изменения начального пластового давления и температу­ ры в залежах группы Терско-Сунжеских месторождений [46]

Совместный анализ геодинамической и промысловой информации показы вает, что в пределах возды маю щ ихся участков (что соответству­ ет усилиям сж атия) добыча ж идкости им еет тенденцию к увеличению, а в пределах прогибаю щ ихся участков (что соответствует ослаблению сж ати я или растяж ению ) — сниж ение добычи.

Р азработка м есторож дений в ряде случаев провоцирует тех н о ген ­ ные зем л етр ясен и я . П ри интенсивном отборе флю идов, а такж е при интенсивной закачке в пласт ж идкости могут возникать сейсмические

события. Техногенны е сейсм особы тия с очагам и в продуктивной тол ­ ще характеризую тся м агнитудой до 3,5, а с очагами вы ш е или ниж е пласта — до 4.5. На Старогрозненском месторождении в 1971 г. произош ­ ло землетрясение в 7 баллов с глубиной очага в 2,5 км в присводовой части залеж и . Ч ер ез несколько часов повторное зем летрясение в 5 бал­ лов было зарегистрировано на глубине 5 км. На территории Ром аш кинского м есторож дения в 1986 г. зарегистрировано 15 зем летрясений с глубиной очага до 10 км и силой в эпицентре в 5— 6 баллов.

Положение очагов индуцированны х зем летрясений оп ределяется разломами, которые предрасполож ены к сдвиговым деформациям. Спу­ стя 15— 20 лет после начала разработки месторождения часто происхо­ дит поверхностное разломообразование, которое особенно разруш итель­ нопоотношению к объектам обустройства нефтегазовых промыслов. П ри этом поверхностные трещ ины проникаю т на глубину до нескольких сот метров, а протяж енность поверхностны х разры вов порой составляет десятки километров.

Примеры типичны х техногенны х зем летрясений, произош едш их на нефтегазовых м есторож дениях, приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Параметры типичных техногенных землетрясений на нефтегазовых месторождениях

		Год начала	Глубина	Глубина	Магнитуда
		разработки,
	Название		разрабаты­	очага зем­	(число
		год начала
	месторождения		ваемой	летрясения,	земле­
		регистрации
			залежи, м	м	трясений)
		сейсмичности
	Газовое				4,2
	месторождение Лак	1957; 1969	3500—4500	2500—3500	(около 1000
	(Франция)				за 10 лет)
	Нефтяное		880		3,5
	месторождение Gobies	1960; 1979		900	(480
	(Канада)				за 5 лет)
	Нефтяное				4,7
	месторождение Cogdel	1949;1974	2100	1900— 2100	(20
	(США)				за 11 лет)
	Нефтяное	1926; 1947	760— 1830	500	3,9
	месторождение
	Wilmington (США)
	Нефтяное				6,0
	месторождение Долина	1950; 1976	2500	2500—3000	(более100
	(Украина)				в 1976 г.)

До начала разработки зал еж и продуктивны й коллектор находит­ ся под воздействием д авлен и я вы ш езалегаю щ их горных пород. Внутрипоровое давление в за л еж и противостоит части горного давления. В процессе разработки зал еж и пластовое давление ум еньш ается, от­ чего увеличивается эф ф ективное напряж ение в скелете горной поро­ ды (2.19). У величение <тфф эквивалентно уменьш ению м одуля деф ор ­ мации пласта. В резул ьтате изм еняется НДС вы ш ележ ащ его массива, продуктивного пласта и подстилаю щ их пород. П орода-коллектор под действием веса вы ш ележ ащ его массива дает осадку, и эта осадка по­ степенно передается на дневную поверхность.

И нтенсивные оседания земной поверхности наблю даю тся на десят­ ках разрабаты ваем ы х месторождений. На многих из них осадки повер­ хности составляю т несколько метров. Дно Северного м оря над место­ рож дением Экоф иск (Норвегия) просело настолько, что высота верх­ них строений эксплуатационны х платф орм над уровнем моря снизилась до критической. П ризнаки оседания проявились такж е в ф орм е р азр у ­ ш ения обсадных колонн нескольких эксплуатационнны х скважин. На неф тяны х месторож дениях в районе озера М аракайбо (Венесуэла) опус­ кание поверхности достигло 4 м и сопровож далось образованием сис­ тем ы трещ ин на зем ле ш ириной в десятки сантим етров и глубиной в несколько метров.

И сследования показы ваю т, что осадка земной поверхности может превы ш ать величину осадки продуктивного пласта за счет вовлечения в процесс сж ати я соседних пород. О седание м ож ет усилиться за счет эмиграции флю идов из см еж ны х пластов-неколлекторов. М аксималь­ ные проседания происходят над участкам и зал еж и с высокими коллек­ торскими свойствами и наибольш ими коэф ф иц иентам и извлечения не­ фти. При этом случаю тся сущ ественны е горизонтальны е смещ ения по­ чвы, приводящ ие к деф орм ациям инж енерны х сооружений.

А ктивизация глубинных и поверхностных разломов, осадки и горизон­ тальные сдвиги, массовые локализованные сейсмопроявления и аварии на нефтепромысловых объектах прямо или косвенно связаны с изменением напряженно-деформированного состояния земной коры, вызванным как глобальны ми процессами, так и разработкой месторож дений. С этой точки зрен ия разработку крупны х неф тегазовы х месторож дений сле­ дует проводить с максимальной осторожностью . Д елать это можно толь­ ко после оценки экологического и технического риска с учетом возмож ­ ных последствий для разм ещ енны х в регионе промыш ленных объек­ тов и населенны х пунктов.