Сейсмическая активность районов разрабатываемых месторождений углеводородов в Южном Предуралье

В Южном Предуралье около 40 лет интенсивно эксплуатируется крупнейшее в Европе газоконденсатное месторождение и множество крупных и мелких месторождений нефти. Высокая плотность месторождений на площади 85 000 км2 в степной зоне с развитым сельским хозяйством и интенсивная их разработка обусловливают формирование соответствующей многоотраслевой экономики. Инфраструктура добычи, транспортировки и переработки углеводородов часто находятся среди сельскохозяйственных угодьев и вблизи населенных пунктов, что повышает требования к экологической безопасности. В связи с маловодностью речная сеть региона имеет повышенную чувствительность к техногенному загрязнению. Южное Предуралье находится на стыке трех геологических структур – ВолгоУральской антеклизы, Прикаспийской синеклизы и Предуральского краевого прогиба и имеет густую сеть тектонических разломов. Совокупность природных и хозяйственных особенностей требует соответствующих адаптированных решений экологических и экономических проблем региона, а также обусловливает ряд особенностей эксплуатации месторождений нефти и газа.

Добыче полезных ископаемых в недрах Земли, их транспортировке и переработке сопутствует воздействие на экологическое состояние недр, гидросферы, атмосферы и земной поверхности. За изменениями в них необходимо вести наблюдения. В настоящее время в Оренбуржье на основных месторождениях газа и нефти ведется мониторинг поверхностных вод, атмосферы и

Косолапов Олег Вениаминович, кандидат экономических наук, директор

Нестеренко Максим Юрьевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник земной поверхности. Разработаны методики его ведения и технологии устранения их загрязнения при разработке месторождений. Техногенные изменения в недрах обычно протекают замедленно и, как правило, имеют отдаленные последствия и трудно устранимы. Шахты после добычи твердых полезных ископаемых остаются незаполненными многие десятилетия. При добыче нефти и газа постепенно уменьшается давление в продуктивных пластах и окружающих их водоносных горизонтах. Изменения в гидро-и газодинамике обусловливают соответствующие изменения в геодинамике твердой части земной коры, что часто ведет к землетрясениям. Вероятно по причине замедленности техногенных изменений в земной коре при добыче полезных ископаемых они мало исследованы, и их мониторинг недостаточно организован, несмотря на то, что последствия техногенных изменений в земной коре могут привести к крупнейшим техногенным катастрофам и чрезвычайным ситуациям: землетрясениям, провалам земной поверхности, изменениям в балансе и качестве подземных вод зоны активного водообмена, являющихся основным источником водных ресурсов для меженного речного стока и водоснабжения.

Масштабы техногенных катастроф и чрезвычайных ситуаций во многом зависят от объемов недр и площадей, на которые оказываются техногенные воздействия при добыче полезных ископаемых, и их силы. В шахтах формируются изменения в давлениях подземных вод и напряженностей в горных породах в объемах и на площадях до нескольких десятков кубических и квадратных километров. Соответственно и реакция недр на техногенное вмешательство обычно происходит в пределах этих объемов и площадей: горные удары, прорывы в шахты подземных вод и газов из прилегающих горных массивов. Лишь сейсмические волны, сопровождающие упругое расширение массива пород при горном ударе большой силы, распространяются на десятки и сотни километров.

При добыче нефти и газа техногенезом охватываются объемы недр до нескольких тысяч кубических километров и на площадях в тысячи квадратных километров. В Южном Предуралье оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение (ОНГКМ) занимает площадь около 2500 км2, а уменьшение давлений в пластовых водах в результате 30-летней добычи газа произошли на площади более 3000 км2. В центральной части месторождения при уменьшении давления газа более, чем на 10 МПа, некомпенсированное напряжение в выше и ниже расположенных горных породах составляет соответственно порядка 1000 т/м2. Примерно на эту же величину увеличиваются градиенты давления между пластовыми водами месторождения и прилегающими к ним водоносными комплексами. Крупномасштабные техногенные изменения в недрах ОНГКМ привели к повышению суммарной выделившейся сейсмической энергии за год до 8,14х1010 Дж в центральной его части с 1,78х107 Дж на прилегающих к нему территориях в расчете на 1000 км2 (рис. 3)

Аналогичные техногенные изменения наблюдаются на больших площадях при добыче нефти на месторождениях в Бузулукской впадине [1, 2]. На группе месторождений в районе г. Сорочинска давление пластовых вод уменьшилось почти на 10-12 МПа на нескольких сотнях квадратных километров. Расположенные на расстоянии 140-150 км от них существующие сейсмические станции (для мониторинга оптимальные расстояния не более 50-60 км) в первой половине 2009 г. зафиксировано в этом районе 12 сейсмических событий с магнитудой до 2,5 единиц и выделением суммарной энергии до 3,5х1010 Дж, что близко к количеству выделившейся энергии за весть 2008 г. Из-за удаленности нами фиксировались лишь события с магнитудой более единицы. По-видимому, сейсмических событий произошло больше.

Весь разрабатываемый нефтегазоносный регион с множеством крупных и мелких разрабатываемых месторождений имеет повышенную сейсмичность в сравнении с юго-восточной частью Южного Предуралья, где они не разрабатываются.

Природная и техногенная сейсмичность во многом зависят от геологического строения земной коры. В геоструктурном отношении Южное Предуралье относится к юго-восточной окраине Восточно-Европейской платформы и соседствует с Прикаспийской синеклизой на юге и Предуральским краевым прогибом на востоке. Эта древняя геоструктура прошла сложный и длительный процесс развития, в результате которого сформировались структуры кристаллического фундамента и осадочного чехла. Складчатость осадочного чехла является следствием колебательных тектонических движений, возникающих в кристаллическом фундаменте. Формирование и развитие геологических и тектонических структур Южного Предуралья идет под воздействием планетарных горизонтальных, вертикальных и вращательных движений блоков литосферы, создающих напряжения сжатия и растяжения различной силы в разных направлениях. Литосферная плита в результате вращательно-поступательного движения и воздействия внешних сил дробится на крупные блоки (платформы и горноскладчатые пояса), которые, взаимодействуя между собой, делятся на более мелкие блоки, образуются положительные и отрицательные структуры. Идет ступенчатое погружение блоков кристаллического фундамента в сторону Прикаспийской синеклизы. Сейсмические события этих геодинамических процессов проявляются на всей территории Южного Предуралья, Уральских гор и Зауралья. По этим причинам территория Оренбуржья согласно карте общего сейсмического районирования России ОСР-97 имеет возможные природные землетрясения интенсивностью 6-7 баллов по шкале МСК-64. Существенным фактором формирования блоково-разломной структуры массивов горных пород является планетарная трещиноватость, образовавшую сложную многоразмерную сетку. Эта сетка является основой, на которую накладываются эндогенные и экзогенные процессы дальнейшего развития структур земной коры и рельефа. В связи с этим Южное Предуралье выделяется нами как территория с высоким уровнем естественных напряжений в земной коре. Она расчленена разломами субширотного и субмеридиального простирания, вдоль которых нами фиксируется высокая плотность сейсмических событий природного и техногенного происхождения (рис. 1). Зоны планетарно-тектонической трещиноватости и тектонических трещин региона относятся к потенциально опасным в сейсмическом отношении [3].

Усиливающаяся техногенная нагрузка на геологическую среду все более обостряет проблемы экологической безопасности. Согласно существующим представлениям [4] техногенная сейсмичность аналогична природной, но отличается от нее режимом выделения сейсмической энергии под влиянием техногенных факторов. Для нее характерно большее число предшествующих толчков, более медленное убывание афтершоков и неглубокие очаги. Основные техногенные воздействия на геологическую среду происходят на относительно небольших глубинах (до 10 км) (рис. 2) и в процессах формирования напряженно-деформационного состояния и подготовки землетрясения существенную роль играют подземные воды и состояние геогидросистемы. Подземные воды перераспределяют напряжения в геологической среде в техногенно измененных условиях. В геологических структурах, где происходят значительные изменения их давлений, техногенные нарушения приводят к локальной концентрации напряжений и повышению сейсмической опасности.

Рис. 1. Простирание линеаментов, разломов, гравитационных и магнитных уступов и сейсмические события в Южном Предуралье

£ 1.40Е+10 е 1.20Е+10 § 1.00Е+1О X 8.00E+09 « 6.00E+09 | 4.00E+09 5 2.00E+09 § O.OOE+OO

Рис. 2. Распределение землетрясений по глубинам на территории Оренбургской области за 2008-2009 гг.

Отделом геоэкологии ОНЦ УрО РАН выявлено сгущение сейсмических событий на территориях интенсивной добычи углеводородов при уменьшении пластовых давлений газа, нефти и подземных вод (рис. 3). Они имеют высокую корреляцию с техногенно-нарушенными блоками массивов горных пород. Выявлена высокая сейсмическая активность на участках, где пластовое давление снизилось в результате добычи нефти и газа (рис. 3) в сравнении с прилегающими территориями. Формирование водонапорных систем месторождений шло в течение нескольких десятков миллионов лет с весьма медленным водообменном. Относительно высокая скорость выработки основных запасов углеводородов (несколько десятков лет) обусловила быстрое нарушение равновесия в водонапорной системе и соответствующие изменения напряжений в скелете коллекторной толщи.

Существующая сеть сейсмостанций в Оренбуржье создана для мониторинга сейсмической активности центральной части области. Система сейсмического мониторинга «Оренбург», которая зарегистрирована и вошла в общероссийскую сеть, позволяет фиксировать местные, региональные и удаленные сейсмические события. Местные землетрясения – события в радиусе до 200 км от сейсмоприемников, вызванные природными или техногенными причинами. За первое полугодие 2009 г. в среднем за месяц таких событий зарегистрировано 14, что в сравнении с 2005 – 2008 гг. (11, 7, 8 и 16 соот- ветственно) показывает на нестабильность количества локальных событий в районе месторождений углеводородов (рис. 3). Средняя магнитуда в первой половине 2009 г. составила 1,4. На долю локальных и региональных событий приходится около 20% от общего количества зафиксированных сейсмических событий. Среди локальных сейсмических событий наблюдались события значительной силы. Такие события встречаются в среднем раз в три месяца преимущественно по разломам в районах добычи углеводородов.

Рис. 3. Эпицентры сейсмических событий (1.12.2007г. – 20.10.2009 г.), структурообразующие разломы и давления пластовых вод в районах разрабатываемых месторождений

углеводородов в Южном Предуралье

Анализ зарегистрированных в Южном Предуралье сейсмических событий указывает на неравномерное проявление сейсмических событий во времени. Такая неравномерность, возможно, связана с антропогенным воздействием на земную кору и изменениями в режиме добычи полезных ископаемых на исследуемой территории. На рис. 4 представлено событие в Переволоцком районе, произошедшее на нефтяном месторождении 23.12.2008 г., время в очаге 20 час. 56мин. 13сек., широта 52,182, долгота 54,376, магнитуда МL 1.7, глубина 5 км.

Аналогичные процессы наблюдаются в геологической среде и в соседних регионах со схожими геологическими условиями и техногенными изменениями. В Татарстане и Башкортостане с более длительной эксплуатацией месторождений нефти в последние годы произошли землетрясения с магнитудой 4 и более.

Дальнейший сейсмический мониторинг и его развитие позволят выявить характер сейсмических событий и установить участки с наибольшими их количеством, т.е. ранжировать территорию по этим показателям. Эксплуатация месторождений без учета распределения по территории сейсмической активности может стать причиной чрезвычайных ситуаций, ставится под угрозу экология региона и отсутствие информации о ней усиливает социальную напряженность.