Геофизика в контексте стратегии устойчивого развития в условиях глобального кризиса

Молекулы     подчиняются     «законам», человеческие решения зависят от памяти о прошлом и от ожидания будущего.

И.Р. Пригожин, лауреат Нобелевский премии по химии 1977 г.

В начале XXI в. мировая цивилизация столкнулась с невероятным по масштабам глобальным кризисом. Причины и следствия возникновения этого системного кризиса -финансового, экономического, экологического, демографического, продовольственного и др. - рассмотрены нами в работе [1].

Генеральный секретарь Организации Объединенных Наций Пан Ги Мун в июне 2012

г., предваряя Международную конференцию по устойчивому развитию "РИО+20", заявил: "Планета находится в состоянии беспрецедентного кризиса. Нам необходимо признать, что нынешняя модель глобального развития нерациональна. Необходимо найти новый путь для продвижения вперед" [2]. По нашему мнению, поиск такого пути возможен только на базе применения современных естественнонаучных и гуманитарных знаний и новейших технологий, а также смены парадигмы глобального социально-экономического развития и мышления людей, населяющих нашу Планету.

Не претендуя на полное видение проблемы, обратимся в данной работе лишь к рассмотрению возможной роли в решении проблемы устойчивого развития в условиях глобального кризиса такой стратегически значимой науки, как общая и прикладная геофизика.

Основные представления о том, что такое геофизика и какими нитями эта наука связана со стратегией устойчивого развития

Геофизика (от греч. ge – Земля и phisis – природа) по праву является одной из важнейших наук на Земле.

В научном дискурсе геофизика (общая и прикладная), находясь в пограничной области знаний между геономией и физикой1, направлена на изучение строения вещественного состава и эволюции нашей планеты на основе инструментального исследования геофизических полей, физико-геологических моделей и геопроцессов, протекающих в твердой Земле, океане, атмосфере. В промышленной сфере - это высокотехнологичная область исследований, обеспечивающая получение необходимой и важнейшей информации для целей геологоразведки, горного дела, инженерно-строительной сферы, а также для решения специальных задач на суше и акваториях мирового океана (рис. 1).

В терминологии Организации Объединенных Наций устойчивое развитие - это развитие, не только порождающее экономический рост, но справедливо распределяющее его результаты, восстанавливающее окружающую среду, увеличивающее возможности людей, а не обедняющее их (рис. 2). В терминологии Научной школы устойчивого развития Университета "Дубна" (руководители Б.Е. Большаков, О.Л. Кузнецов) устойчивое развитие страны (общества) - это хроноцелостный процесс сохранения неубывающих темпов роста производимой страной полезной мощности при неувеличении темпов потребляемой мощности, сокращения потерь мощности за счет воспроизводимых прорывных технологий и повышения качества управления на всех уровнях [4, 5].

Очевидно, что в основе развития любых соционриродных систем находятся источники энергии, связанные с геофизическими процессами на планете Земля. Приводимые в таблице данные о возобновляемых и невозобновляемых энергетических ресурсах Земли наглядно демонстрируют ориентировочный баланс энергии, получаемой от разных www.rypravlenie.ru

том 13 № 1 (34), 2017, ст. 1

источников. Для сравнения можно указать, что в настоящее время человечество производит

• 1020 Дж энергии.

Геофизика

Geophysics

Физика атмосферы Atmoshere physics

Общая геофизика Common geophysics

Прикладная геофизика Applied geophysics

Специальная геофизика Special geophysics

Физика гидросферы Hydroshere physics

Разведочная геофизика Exploration geophysics _у

Экологическая геофизика _v Ecological geophysics _z

Аэрономия

Физика твердой земли _L Solid earth chyscs

Инженерная геофизика ^Engeneering geophysics

Контроль ядерных испытании

Метеорология

Гравиметрия

Инженерная геология

Еовнная геофизика

Климатология

Сейсмология

Поиск, оценка и разведка месторождений

Техническая геофизика

Физика меря

Геоэгектро-метрия

Археологическая геофизика

Мониторинг геофизических процессов и предсказание катастроф

Физика вод суши

Геомагнито метрия

Контроль разработки месторождений

Гидротеология

Криология

Геотермометрия

Мелиорация

Оценка рисков и последствий геофизических процессов

Радиометрия

Геофизика для здравоохранения

Рис. 1. Геофизика и связанные с ней науки (по [3])

Рис. 2. Структура современного понимания устойчивого развития

Таблица 1. Ориентировочный баланс энергии Земли по отдельным видам ее источников

Вид энергии	Общие запасы, Дж
Невозобновляемые ресурсы
Термоядерная энергия	3.60-1026
Энергия ядерного деления	1.98-1024
Химическая     энергия     ископаемых	1.98-1023
органических ресурсов Внутреннее тепло Земли	4.82-1020
Возобновляемые ре	сурсы
Энергия морских приливов	25.2-1022
Энергия падающих на Землю солнечных	20.8-1023
лучей Энергия        солнечных        лучей,	0.43-1017
аккумулирующаяся в верхних слоях атмосферы в виде атомарных кислорода и азота Энергия ветра	6.12-1021
Энергия рек	6.48-1013

Главная проблема развития - это проблема создания условий для неуклонного повышения величины свободной мощности системы "природа-общество- человек" и уменьшения мощности потерь [5].

Что связывает сегодня проблемы развития геофизики XXI в. и проблемы реализации стратегии устойчивого развития

Геофизической науке, как и науке устойчивого развития, необходима новая философия. Как показано в [4], эта философия опирается на три современных языка - язык пространственно-временных величин (LT- язык) [5]; язык синергетики [6], описывающий закономерности самоорганизации открытых нелинейных систем, каковыми являются и планета Земля в целом, и система "природа-общество-человек" [7]; язык термодинамики обратимых и необратимых процессов [8, 9], с помощью которого можно на феноменологическом уровне описать преобразования и взаимодействия процессов, протекающих в оболочках Земли (в геосфере, биосфере, социосфере) [10].

Схематически процессы самоорганизации геологической материи, приводящие к перемещению литосферных плит, показаны на рис. 3. Процессы самоорганизации в Мировом океане вызваны наличием конвективного переноса энергии и массы (рис. 4).

том 13 № 1 (34), 2017, ст. 1

Рис. 3. Самоорганизация внутренних слоев Земли в виде разномасштабных конвективных течении [11]

В работах международной научной школы устойчивого развития университета "Дубна" [5] показано, что процессы самоорганизации биосферы в координатах Р (свободная мощность биосферы) и Т (время эволюции) подчиняются закономерности циклического возрастания свободной мощности и сокращения периода цикла (рис. 5). Анализ

циклического развития в течение миллиардов лет на планете Земля показывает ускорение по количеству и мощности гео- и социальных катастроф.

о

3.60 3.60

Бразильская котловина

Антарктический Аргентинская бассейн котловина

2000..

Рис. 4. Широтный разрез глубинных плотностных течений в Атлантическом океане, обусловленных разницей солености (а) и разницей температуры (б) [12]

том 13 № 1 (34), 2017, ст. 1

Рис. 5. Развитие в результате самоорганизации биосферы как ускоряющийся волновой процесс

Геофизика является базовой наукой для прогноза сценариев будущего развития глобальных, региональных и локальных социоприродных систем, включая оценку периодичности и мощности будущих геокатастроф - землетрясений, извержений, цунами, ураганов, торнадо и др. Без учета названных сценариев невозможно создание реалистичной стратегии устойчивого развития для мира в целом и для отдельных регионов и стран.

Что уже сегодня способна сделать геофизика для перехода мировой экономики на путь стратегии устойчивого развития

С учетом профессиональных интересов автора и ограниченного объема статьи определим позиции, которые современная геофизика в состоянии обеспечить для перехода мировой экономики на путь стратегии устойчивого развития, и кратко рассмотрим возможности использования для достижения поставленных целей тех или иных геофизических технологий.

Современная геофизика сегодня в состоянии:

• •    обеспечить минимизацию всех видов ресурсов (финансы, энергетические затраты, время) для создания ресурсной базы топливно-энергетического и горно-рудного комплексов;

• •     содействовать открытию новых источников энергии (сланцевые нефть и газ,

гидратный газ и др.);

• •    обеспечить достоверную оценку рисков осуществления любых  видов

деятельности по освоению подземного пространства:

• •    обеспечить высокий уровень безопасности и экологического комфорта при создании любых линейных сооружений (магистрали, трубопроводы и др.);

• •    участвовать в роли "базового элемента" в создании и реализации глобальной энергоэкологической стратегии.

Названные цели в значительной мере могут быть достигнуты благодаря использованию современных волновых (сейсмоакустических) технологий изучения земной коры для прогноза, поиска, разведки и разработки месторождений углеводородного сырья, а также мониторинга разнообразных (природных и техногенных) процессов, имеющих стратегическое значение для социально-экономического развития страны.

Современные российские сейсмоакустические технологии дают возможность проведения инструментального изучения Земли в широкой полосе частот (100 - 106 Гц) и интенсивности (мощности) сигналов (10–2 - 102 Вт). Отметим, что указанные диапазоны частот и интенсивностей позволяют использовать сейсмические и акустические волны как для диагностики массивов горных пород, так и для управления их свойствами.

Еще в 80-е годы прошлого столетия в СССР и США на глобальном и региональном уровнях проводились глубинные сейсмические зондирования Земли с использованием мощных взрывов и специальных вибраторов. Данные зондирований в совокупности с результатами геофизических исследований глубоких и сверхглубоких скважин позволили получить новую информацию о строении и физических свойствах кристаллических щитов и осадочных бассейнов на гигантских территориях до глубин 100 км и более.

Рассматривая направления использования современных волновых технологий на глобальном уровне, нельзя не остановиться на проекте "Землескоп" ( Earth-Scope ), осуществляемом сегодня учеными США, о котором в статье "Как прощупать пульс Планеты?" [13] сказано следующее: "Землескоп" - огромный, континентального масштаба проект с тысячами сенсоров, помогающий ученым наблюдать за миром, скрытым под нашими ногами" (рис. 6). Будучи крупнейшим в современной геофизике, проект охватывает почти 10 млн. кв. км, его стоимость - порядка 200 млн. долларов. По своей научной и практической значимости "Землескоп" соизмерим с Большим адронным коллайдером. Именно в рамках этого проекта на самом протяженном и активном тектоническом разломе Сан-Андреас была реализована идея по предотвращению (профилактике) крупных землетрясений, основанная на закачке воды по скважинам в очаги аномального напряжения геологической среды. Надо заметить, что идея подобной профилактики землетрясений и способ ее реализации были предложена в 70-е годы прошлого столетия учеными института Физики Земли АН СССР.

Рис. 6. Схема расположения станций проекта

Инструментальное изучение напряженно-деформированного состояния горных пород для решения задач фундаментальной геологии и геологоразведки осуществлялось советскими геофизиками с 80-х годов прошлого века [14, 15]. Благодаря этим исследованиям в уникальной сверхглубокой Кольской скважине (СГ-3) по геофизическим данным были обнаружены субгоризонтальные зоны с открытой микротрещиноватостью на глубине более 10 км. На этих глубинах впервые была установлена природа субгоризонтальных сейсмических границ в древнейшем кристаллическом щите [16]. Кроме того, при изучении напряженного состояния около-скважинного пространства были выделены кольцеобразные зоны уплотнения, способные защищать ствол скважины от разрушения, что позволило пробурить скважину СГ-3 до рекордной глубины 12 261 м от устья до забоя в режиме открытого ствола без обсадки железными трубами. Этот рекорд глубины бурения, занесенный в книгу рекордов Гиннеса, не превзойден до настоящего времени.

В начале 1990-х годов российские геофизики разработали серию инновационных геофизических технологий, необходимых для оптимизации геологоразведочного процесса (ГРП) на нефть и газ на стадиях поиска, разведки и контроля за разработкой месторождений углеводородного сырья.

Научной школой нефтегазовой сейсмоакустики проф. О.Л. Кузнецова была создана уникальная технология "Сейсмический локатор бокового обзора" (СЛБО) для изучения пространственного (3D) и пространственно-временного (4D) распределения открытой трещиноватости в геологической среде" [17, 18]. Для изучения трещиноватости в названной технологии используются не зеркально отраженные волны, как в стандартной сейсморазведке, а рассеянно отраженные; для выделения и позиционирования объектов применяется фокусирующий сканирующий обзор геологического пространства с помощью активного сейсмического локатора. Интерпретация результатов наблюдения и обработка осуществляются на основе моделей напряженно-деформированного состояния геологической среды. Принципиальная схема СЛБО и пример результатов обработки в виде ЗБ-поля трещиноватости представлены на рис. 7.

Рис. 7. Принципиальная схема СЛБО (а) и пример ЗD-распределения трещиноватости результатам обработки рассеянных волн (б)

Результаты экспериментальных исследований 4D-поля трещиноватости (по технологии СЛБО) позволили установить ряд закономерностей, среди которых выделим три главных.

Пространственно-временное распределение интенсивности открытой трещиноватости меняется повсеместно и постоянно [18, 19]. Один из основных геодинамических факторов, определяющих это изменение, - твердотельные лунно-солнечные приливы в литосфере. Пример пространственно-временного изменения открытой трещиноватости, полученной по данным СЛБО-мониторинга на одной из площадей месторождения Западной Сибири, приведен на рис. 8. Трещиноватость в период прилива (Луна в зените) в целом уменьшается, а в период отлива (Луна в надире) - увеличивается, создавая эффект "дыхания" литосферы с частотой лунных суток. Отметим, что идея "газового дыхания Земли" впервые была высказана выдающимся ученым, академиком В.И. Вернадским [20].

том 13 № 1 (34), 2017, ст. 1

Рис. 8. Горизонтальные срезы поля открытой трещиноватости на глубине Н = 2550 м во время лунносолнечного прилива (а) и отлива (б): Рогожниковское месторождение, Тюменская область

В геологической среде повсеместно с разной последовательностью присутствуют субвертикальные зоны интенсивной открытой трещиноватости (рис. 9), которые являются каналами активного массоперетока флюида и энергообмена (в основном, температуры и давления) [18]. В сочетании с упомянутым выше эффектом "дыхания" данные зоны создают

своеобразные "геодинамические насосы", осуществляющие подпитку залежей углеводородов. Этот факт подтверждается высокими и максимальными притоками углеводородов, осложнениями бурения и наличием зон аномально высокого пластового давления в скважинах, находящихся в пределах данных зон и их окрестностях.

Рис. 9. Вертикальные разрезы поля открытой трещиноватости на Северо-Демьянском месторождении в Западной Сибири (а) и Куюмбинском в Восточной Сибири (б)

СЛБО-мониторинг техногенных воздействий на пласт (гидроразрыва, закачки воды и газа, виброволнового воздействия и т.п.) показал, что искусственная трещиноватость продолжает развиваться в течение длительного времени (до нескольких месяцев) после прекращения воздействия [19]. При этом формируется зона трещиноватости, значительно большая (на порядок и более) по площади, чем в процессе воздействии. Таким образом, с помощью техногенных воздействий (не только из скважин, но и с поверхности) можно эффективно управлять пространственным распределением трещиноватости с целью более полного извлечения углеводородов из залежи. При этом, используя волновое воздействие, можно осуществлять разрядку очагов напряженного состояние геосреды - будущих очагов землетрясений (т.е. проводить профилактику землетрясений на разрабатываемых месторождениях).

Установленные закономерности пространственно-временного распределения открытой трещиноватости в геологической среде исключительно актуальны в настоящее время, что связано с начавшейся в западных странах "сланцевой революцией". Именно "революцией", если учесть, что в Техасе за 2,5 года добыча нефти увеличилась вдвое только за счет разработки сланцевого коллектора - это беспрецедентный случай в истории старых нефтедобывающих районов. Поэтому в настоящий переходный период сейсморазведка обязана ориентироваться не только на изучение слоистого строения среды на основе зеркально отраженных волн, но и на изучении ее открытой трещиноватости с помощью рассеянно отраженных волн.

На стадии поисково-разведочных работ информация о трещиноватости необходима, в основном, для снижения затрат на бурение скважин с нерентабельным притоком углеводородов (даже при интенсивном воздействии) и для прогноза аварийных ситуаций в процессе бурения. Далее при разработке месторождений необходимы мониторинг латерального изменения поля трещиноватости и управление этим полем с целью более полного извлечения запасов при высоком темпе отбора углеводородов и минимизации геоэкологического и технологического рисков на работающих промыслах.

Другое принципиально новое направление развития сейсморазведки связано с тем, что в начале нового тысячелетия в России, США, Германии, Великобритании отмечен пик интереса к прослушиванию микросейсмических событий, возникающих в пористых и трещиноватых горных породах, насыщенных нефтью, газом, водой, - геофизики поняли, что Земля "разговаривает" с ними на своем языке.

Российскими геофизиками был обнаружен эффект возникновения на поверхности Земли инфразвукового сигнала, различного для случаев проведения наблюдений над залежью углеводородов или над водоносным пластом [21]. На этой основе в ходе последующих исследований И.А. Чиркиным и его единомышленниками была создана уникальная технология сейсмолокации очагов эмиссии (СЛОЭ) [18, 22], в которой идея выделения и позиционирования волн микросейсмической эмиссии (МСЭ) реализована в схеме пассивного сейсмического локатора и алгоритмах обработки информации в режимах реального времени. Поскольку волны МСЭ доминантно зависят от напряженного состояния, физико-механических свойств и типа флюидонасыщения горных пород, то технология СЛОЭ может быть успешно применена как для решения различных поисково-разведочных задач, так и при разработке месторождений.

Например, на поисково-разведочной стадии по данным СЛОЭ-мониторинга возможно получение информации о нефтесодержании массивов горных пород в исследуемом объеме геологической среды. Такая информация, безусловно, повышает эффективность поиска нефтяных залежей структурного и неструктурного типов. В последнем случае это особенно актуально для обнаружения нефти в глинистых сланцах. Пример полученного в 2013 г. совместно российскими и американскими геофизиками куба нефтесодержания для площади порядка 14 кв. км в интервале глубин от 2700 до 3300 м на месторождении в штате Техас (США) показан на рис. 10.

Рис. 10. Пример ЗD-поля распределения параметров энергии микросейсмической эмиссии по данным СЛОЭ-мониторинга: а - среднее значение процесса МСЭ; б - коэффициент автокорреляции

Применение СЛОЭ-мониторинга на стадии разработки месторождений является новым направлением сейсмических исследований. В отличие от стандартной сейсморазведки, применяемой на региональной, поисковой и разведочной стадиях геологоразведочных работ, это направление может быть названо нефтегазопромы- словой сейсмометрией. К новым задачам, решаемым СЛОЭ на стадии разработки, в первую очередь, следует отнести непрерывный и неограниченный во времени мониторинг месторождения в реальном времени, в процессе которого осуществляется:

• контроль эффективности выполнения геолого-технологических мероприятий (ГТМ),

• изменение флюидной структуры залежей и конфигурации фронта вытеснения нефти водой,

• •    перераспределение трещиноватости и формирование новых каналов флюидопотоков и др.

Информация, получаемая в реальном времени, безусловно, существенно повышает эффективность управления разработкой и проведением геолого-технологических мероприятий в нужном месте в нужное время с оптимальными параметрами [23, 24]. Отметим, что СЛОЭ-мониторинг на разрабатываемом месторождении в будущем станет одним из основных элементов "умного месторождения" и позволит повысить коэффициент извлечения нефти (КИН) на первые десятки процентов при увеличении темпа отбора нефти. Такое увеличение равносильно открытию и вводу в разработку нового месторождения с уже готовой инфраструктурой.

Для решения этих задач на истощенных месторождениях, а также с низкопоровым или сланцевым коллектором важен выбор оптимальных геолого-технологических мероприятий, к которым, в первую очередь, следует отнести российские сейсмоакустические технологии управляемого волнового воздействия на продуктивные пласты с целью повышения дебитов добывающих скважин и увеличения КИН. Именно на основе этих технологий при длительном воздействии возможно формирование зон трещиноватости - суперколлекторов или основных каналов флюидопотоков в заданном направлении для случая сланцевого коллектора, когда другие методы воздействия (закачка воды и газа) оказываются неэффективными.

Таким образом, общий вывод сводится к тому, что применение рассмотренных технологий в России и в мире может коренным образом повысить эффективность топливноэнергетического комплекса, снизить расход всех видов ресурсов, минимизировать экологические ущербы и обеспечить устойчивое развитие энергетического сектора экономики.

ВНИИгеосистем, 2001. — 69 с.