Мерзлые основания кустовых площадок газовых скважин на территории Ямбургского месторождения в условиях изменяющегося климата

Петров Борис Вячеславович ORCID: 0000-0002-9563-1985 Аспирант, кафедра криолитологии и гляциологии, Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова; Инженер 2 категории, Ямбургская лаборатория мерзлоты Инженерно-технического центра ООО "Газпром добыча Ямбург" 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Petrov Boris Vyacheslavovich Postgraduate student, Department of Cryolithology and Glaciology, Lomonosov Moscow State University; Engineer of the 2nd category, Yamburg Permafrost Laboratory of the Engineering and Technical Center of Gazprom Dobycha Yamburg LLC 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 borya.petrov.2016@list.ru Курбатов Алексей Сергеевич Ведущий инженер, Ямбургская лаборатория мерзлоты Инженерно-технического центра ООО "Газпром добыча Ямбург" 629740, Россия, Ямало-Ненецкий автономный округ, пос. Ямбург, -, - Kurbatov Aleksei Sergeevich Leading Engineer, Yamburg Permafrost Laboratory of the Engineering and Technical Center of Gazprom Dobycha Yamburg LLC 629740, Russia, Yamalo-Nenetskii avtonomnyi okrug, pos. Yamburg, -, - as.kurbatov@yamburg.gazprom.ru

Поляков Александр Викторович Начальник, Ямбургская лаборатория мерзлоты Инженерно-технического центра ООО "Газпром добыча Ямбург" 629740, Россия, Ямало-Ненецкий автономный округ, пос. Ямбург, ул. Array-Array, - Polyakov Aleksandr Viktorovich Head, Yamburg Permafrost Laboratory of the Engineering and Technical Center of Gazprom Dobycha Yamburg LLC 629740, Russia, Yamalo-Nenetskii avtonomnyi okrug, pos. Yamburg, ul. Array-Array, - A.Polyakov@yamburg.gazprom.ru

Введение

Добыча природного газа на территории Ямбургского месторождения ведется кустовым способом. Вместе с очевидными преимуществами такого способа добычи, связанными с оптимизацией строительно-монтажных работ, работ по обслуживанию, сокращением общей площади нарушенных природных участков и др., использование метода добавляет и некоторые риски, требующие внимательного рассмотрения. К таким рискам можно отнести совместное долгосрочное отепляющее воздействие эксплуатационных скважин на всю толщу мерзлых пород и активизацию опасных криогенных процессов в верхней части криогенной толщи. Известно, что вытаивание льда с последующим уплотнением оттаявшей массы грунта способно приводить к осадке грунта вокруг эксплуатационных скважин ^[1]. Осадка грунтов оснований ведет к потере продольной устойчивости ствола скважины в таликовой зоне мерзлоты в связи с исчезновением боковой опоры для крепи скважины ^[2]. Кроме того, оттаивающие породы зависают на стволе скважины и тем самым создают дополнительные осевые нагрузки. Их величина способна достигать значений, ведущих к потере продольной устойчивости крепи при сохранении боковой опоры на оттаявшие грунты ^[3], а также к значительным пластическим деформациям элементов конструкции, приводящим к ее разрушению ^{[4; 5]}. Осадки значительной величины, обрушение направления и образование воронки в устье скважины и др. могут происходить даже на территориях в малольдистыми породами ^[6]. В целом, подобные нарушения на территории Ямбургского месторождения рассмотрены достаточно детально. Вместе с тем, тенденции роста температур верхних слоев ММП и возникающие в связи с этим риски развития криогенных процессов ранее не были рассмотрены. Среди криогенных процессов наибольшую угрозу для КГС несет термоэрозия, широко распространённая на территории Ямбургского месторождения ^{[7, 8, 9]}. Развитию термоэрозионных процессов способствуют различные, как естественные факторы (меандрирование русла реки и эрозия высоких берегов, таяние подземных льдов, динамика термокарстовых озер и др.), так и антропогенные факторы (нарушение растительного покрова, повышенное снегонакопление на участках инфраструктуры в пределах водосборов оврагов) ^[10].

Особого внимания требуют районы распространения полигонально-жильных льдов. Развитие термоэрозии в данных районах часто приводит к формированию крупной овражной сети ^{[11, 12, 13]}, угрожающей целостности оснований трубопроводной обвязки. Существующие риски требуют постоянного контроля температуры ММП у устья эксплуатационных скважин и в основаниях трубопроводной обвязки, состояния конструкций эксплуатируемых скважин и трубопроводов и целостности песчаной отсыпки кустовых площадок ^[14]. Цель исследования – изучить динамику криогенных характеристик грунтов оснований КГС в условиях эксплуатации добывающих скважин и под воздействием ландшафтно-климатических факторов. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: 1) выявить тенденции изменения температуры грунтов оснований КГС; 2) рассмотреть влияние эксплуатационных скважин на температурный режим грунтов оснований; 3) охарактеризовать условия развития опасных термоэрозионных процессов в районе КГС.

Район исследований

Исследуемая территория находится в центральной части Тазовского полуострова. Большая ее часть представляет собой низменную слабодренированную заболоченную равнину. Основания исследуемых КГС № 611, № 110В до глубины 15 метров сложены преимущественно слабольдистыми аллювиальными отложениями второй надпойменной террасы песчаного состава, перекрытыми техногенными грунтами песчаной отсыпки. Основания исследуемых КГС № 506, № 106В сложены аллювиальными, озерно-аллювиальными отложениями второй надпойменной террасы, представленными преимущественно песками мелкими слабольдистыми перекрытыми техногенными грунтами песчаной отсыпки.

Территория существенно переработана различными экзогенными процессами, такими как термоэрозия, заболачивание, пучение, термокарст и др. Растительность преимущественно кустарничково-моховая и травяно-моховая на возвышенных и хорошо дренируемых участках водоразделов и кочкарная тундра из пушицы, кустарников и мхов на менее дренированных участках. Почвы – тундровые арктические и тундровые глеевые с участками торфяно-болотных и перегнойно-торфяно-болотных.

Согласно климатическому районированию по классификации Б.П. Алисова район исследований находится в субарктическом поясе. Зима холодная, продолжительность холодного периода 220-250 сут. Минимальные температуры опускаются до -59°С. Лето короткое, умеренно прохладное. Наиболее теплый период – конец июля-августа, в это время температура может подняться до +30°С. Среднемноголетняя температура воздуха за период с 1986 по 2020 гг. составляет -7,1°С. Годовая сумма осадков 400-700 мм. Распределение снега на поверхности неравномерно: от 0,2-0,5 м на плоских тундровых участках, до 1,0-1,5 м в оврагах и логах. Средняя толщина снежного покрова в период его устойчивого залегания (ноябрь-апрель) составляет 0,44 м (по данным полевых измерений Ямбургской лаборатории мерзлоты филиала «Инженерно-технический центр» ООО «Газпром добыча Ямбург» с 2000 по 2020 гг.).

Территория Ямбургского месторождения расположена в зоне сплошного распространения MMП. Мощность мерзлых толщ на водораздельных пространствах изменяется от 300 до 400 м. На более низких геоморфологических уровнях мощность их может сокращаться до 150-250 м, а на поймах крупных рек до 20-80 м. Льдистость толщ достигает максимума в верхней части разреза 0,7-0,8 (торф) и 0,3-0,35 (пески, супеси) и обычно понижается до 0,1-0,15 ниже 2,0-3,0 м. Криогенное строение грунтов во многом определяется их литологическим составом и влажностью. В глинистых грунтах частослоистые тонкошлировые криотекстуры преобладают в верхней части разреза, в нижней части разреза – горизонтальная слоистость. Пески твердомерзлые в основном с массивной криотекстурой.

Значения температур ММП изменяются в широких пределах – от -0,5 до -4°С. Глубина нулевых годовых амплитуд достигает 10-13 м. Глубина сезонного протаивания от 0,3-0,6 м на торфяниках до 1,5-2,2 м в заболоченных участках. В долинах крупных рек кровля ММП погружается на 2,5 м и ниже (по данным технического отчета ООО «Институт ЮЖНИИГИПРОГАЗ»).

Исходные данные и методика исследований

Наблюдения за температурным режимом грунтов оснований кустов газовых скважин Ямбургского месторождения ведутся Ямбургской лабораторией мерзлоты филиала «Инженерно-технический центр» ООО «Газпром добыча Ямбург» с 1993 г. по кустам сеноманских скважин – №611 и №506 и валанжинских скважин – № 106В и №110В. Начало эксплуатации данных кустов – 1988-1989 гг.

Площадки данных кустовых площадок – №611 и №110В, №506 и №106В примыкают друг другу территориально и схожи по ландшафтно-геологическим условиям. Наблюдательные профили термометрических скважин на площадках были обустроены в рамках проведения инженерно-геокриологических исследований в слое нулевых годовых амплитуд оснований в связи с развитием деформаций опор эстакад трубопроводов обвязки эксплуатационных газовых и газоконденсатных скважин.

На начальном этапе наблюдений в пределах каждой из кустовых площадок было обустроены наблюдательные профили из 13 термометрических скважин глубиной 10-11 м (рис. 1). Профили расходились в радиальном направлении от эксплуатационных скважин № 6115 для КГС №611, № 5061 для КГС №506, № 10603 для КГС №106В и № 11002 для №110В. Расстояние между термометрическими скважинами внутри ряда составляло 5, 10 м. В последствии часть термометрических скважин была выведена из строя снегоочистительной техникой.

Рис. 1. Схема расположения термометрических скважин на КГС №106В по состоянию на начало наблюдений (1993 г.)

Скважины оборудованы обсадными металлическими колоннами диаметром 89 мм. В качестве измерительного оборудования используются информационно-регистрирующие комплексы (ИРК) «KrioLab». Пределы погрешности данных приборов ±0,1°С при температурах +20°С…-50°С. Данные по скважинам считываются дважды в год (в зимний и летний период) в ручном режиме. Внесение данных в персональный компьютер осуществляется также вручную. Выбор ИРК обусловлен их высокой надежностью, простотой в эксплуатации и точностью измерений в сложных погодных условиях. Массив данных накапливается в специальном программном обеспечении (ПО) «Лаборатория мерзлоты», разработанном в ООО «Газпром добыча Ямбург». Обработка материалов, построение графиков осуществлено в ПО Microsoft Excel.

Влияние климата

В настоящее время как в пределах региона, так и в целом по криолитозоне наблюдается деградация мерзлых пород в условиях потепления климата ^{[15, 16, 17, 18]}. По данным наблюдений Ямбургской лаборатории мерзлоты, а также на основании данных изыскательских работ, температура ММП в естественных условиях на территории Ямбургского месторождения растет со скоростью 0,056 ℃ в год (1979-2020) (рис. 2). За период непрерывных наблюдений (2006-2020) темпы роста составляют 0,054 ℃ в год. Рост температур ММП наблюдается во всех наиболее распространенных на территории месторождения ландшафтах под влиянием повышения среднегодовых температур воздуха и увеличения толщины снежного покрова.

Рис. 2. Динамика температуры воздуха и ММП по фоновым скважинам

Температурный режим мерзлых оснований кустовых площадок отличается от ММП в естественных ландшафтах в связи со следующими основными факторами:

- воздействие эксплуатационных скважин на грунты оснований КГС;

- снегоочистительные работы на поверхности КГС;

- отсутствие растительного покрова на поверхности;

- наличие отсыпки из песка мелкого толщиной до 1 м;

- превышение поверхности КГС над окружающей поверхностью на 1 м.

По данным проведенных исследований темпы роста температур грунтов оснований КГС составляют в среднем 0,039 °С в год – за весь период наблюдений с 1992 г. и 0,017 °С в год – за период наблюдений с 2006 г. Таким образом, темпы роста температур мерзлых оснований КГС ниже, чем в ММП в естественных ландшафтах Ямбургского месторождения.

Влияние эксплуатационных скважин

За период эксплуатации кустов газовых скважин температуры добываемого газа существенно изменились. В пределах рассматриваемых кустов сеноманских скважин температура газа на устье газовых скважин на начальном этапе эксплуатации в 1988-1989 гг. составляла 12-15℃, а в последние 10 лет колеблется от -8,9 ℃ до +6,0℃. В пределах исследуемых кустов валанжинских скважин температура газа на устье газовых скважин в 1988-1989 гг. составляла 34-39 ℃, а в последние 10 лет колеблется от +14,8 ℃ до +25,7 ℃. Температура ММП на участке исследований до обустройства КГС составляла -2,5 … -4,0 ℃.

Динамика температуры грунтов оснований наблюдаемых сеноманских кустов газовых скважин представлена на рисунках 3, 4. В пределах куста газовых скважин №506 температуры мерзлых оснований на глубине нулевых годовых амплитуд различаются незначительно – по термометрическим скважинам, расположенным на расстоянии от 5 до 47 м от эксплуатационной скважины, температуры колеблются от -0,7℃ до -1,2℃ на 2020 г. Данные значения весьма близки к фоновым – -1,1℃ на 2020 г.

Рис. 3. Динамика температуры грунтов в основании куста газовых скважин № 506

В пределах куста газовых скважин №611 температуры грунтов оснований на глубине нулевых годовых амплитуд различаются также незначительно, за исключением данных по термометрической скважине, расположенной в 40 м от эксплуатационной скважины в понижении, прилегающем к откосу кустовой площадки. Здесь температура существенно выше, чем на поверхности КГС – - 0,4℃ против -2,3℃.

Рис. 4. Динамика температуры ММП в основании куста газовых скважин № 611

Из рассмотрения температуры грунтов оснований по двум кустам сеноманских газовых скважин не прослеживается значительного отепляющего воздействия эксплуатационных скважин на прилегающие мерзлые основания. Температуры остаются неизменными на длительном расстояния от эксплуатационной скважины, а выявленные изменения связываются с изменением микроландшафта поверхности – в понижениях, прилегающих к откосам кустовых площадок, где в зимний период накапливается снег, температуры существенно выше, чем на поверхности кустовых площадок.

Динамика температуры грунтов в основании наблюдаемых валанжинских кустов газовых скважин представлена на рисунках 5, 6. Температуры мерзлых оснований на глубине нулевых годовых амплитуд в пределах куста газовых скважин №106В в 5 м от эксплуатационной скважины положительная, в 2020 г. достигает +1℃, в то время как по более отдаленным скважинам (30-40 м) она достигает от -0,3℃ до -0,2℃. Температуры в пределах КГС выше, чем по фоновой скважине.

Рис. 5. Динамика температуры ММП в основании куста газовых скважин № 106В

Аналогично на кусте газовых скважин №110В вокруг эксплуатационной скважины сформировался талик, радиусом до 10 м. Температура в 5 м от эксплуатационной скважины достигает +1,1℃, в 10 м от нее температура составляет -0,1℃…-0,4 ℃.

Рис. 6. Динамика температуры ММП в основании куста газовых скважин № 110В

Из рассмотрения температур оснований по двум кустам валанжинских газовых скважин очевидно прослеживается отепляющее воздействие добывающих скважин на грунты оснований. Вокруг скважин формируется таликовая зона, радиусом 5-10 м. Формирование воронок оседания вокруг эксплуатационных скважин при этом не наблюдается.

Влияние снежного покрова

На температурный режим грунтов оснований оказывает влияние толщина снега ^[19]. С учетом регулярных снегоочистительных работ на территории КГС, снег накапливается на отдельных участках вдоль эстакад трубопроводов, куда доступ для снегоочистительной техники затруднен, а также в краевых частях КГС и на откосах. Небольшое снегонакопление способствует значительной зависимости температурного режима КГС от температур воздуха в зимний период. Так минимальные среднегодовые температуры ММП по большинству ТС были зафиксированы в 1999 и 2001 гг., когда наблюдались минимальные температуры холодного периода (октябрь-май) за все время наблюдений за температурами воздуха на Ямбургском месторождении (-20,9℃ в 1999 г. и -21,1℃ за период наблюдений с 1986 г. по настоящее время)

Влияние снега ярко иллюстрируют температурные данные по КГС №110В. Термометрические скважины, расположенные к югу от эксплуатационной скважины, примыкают к автомобильной дороге, которая регулярно очищается от снега. ТС к северу от эксплуатационной скважины расположены на участке, недоступном для работы снегоуборочной техники. В результате температуры по ТС 12, 13, 14, располагавшимся в 15-67 м к югу от эксплуатационной скважины, до момента их выхода из строя существенно ниже, чем по остальным скважинам. По ТС 10 и 1127в, располагающимся в 5 и 10 м к югу от эксплуатационной скважины, температуры в связи с отепляющим воздействием эксплуатационных скважин существенно выше, чем по другим скважинам к югу от эксплуатационной скважины. Вместе с тем по отношению к ТС, расположенным на том же расстоянии к северу от эксплуатационной скважины, температуры по ним ниже (по ТС в 5 м – на 1,3 ℃ в 2012 г., по ТС в 10 м – на 0,3℃ в 2020 г.).

Также в контексте воздействия снежного покрова на температурный режим грунтов оснований следует обратить внимание на данные по КГС 506. Здесь доступ снегоочистительной техники имеется ко всем ТС по профилю, в связи с чем с учетом отсутствия значительного отепляющего воздействия эксплуатационной скважины температуры по всему профилю отличаются незначительно – разница между максимальным и минимальным значениями составляет в 2020 г. 0,5 ℃.

Опасные криогенные процессы

Растепление мерзлых пород на откосах КГС и в понижениях рядом с ними ведет к размыву грунтов отсыпки на фоне отсутствия на их поверхности напочвенных покровов (рис. 7). В определенных условиях данные процессы способны приводить к формированию крупных эрозионных систем, развитие которых весьма характерно для территории месторождения и несет угрозу целостности грунтов оснований КГС. Процессы протекают на фоне общего роста активности термоэрозионных процессов в криолитозоне в условиях потепления климата ^[20].

Рис. 7. Промоина на откосе КГС №965 (Фото Макшанцевой Д.В., 15.08.2020 г)

В пределах Ямбургского НГКМ под угрозой от развития оврагообразования находятся КГС, расположенные по берегам рек. Преобладание легкоразмываемых мелких и пылеватых песков в верхней части разреза и невысокие перепады между локальными и региональным базисами эрозии (рек Тазовского полуострова относительно Обской губы), ведет к интенсивному меандрированию русел рек месторождения. На некоторых КГС развитие процессов отступания берега реки в непосредственной близости от площадок добычи требуют разработки защитных и компенсирующих мероприятий. В качестве примера рассмотрим КГС №513 (рис. 8). Площадка организована в 1992 г. в 30 м от правого подмываемого берега р. Нгарка-Пойловояха. В связи с активным отступанием берега и интенсивным оврагообразованием вдоль него в 2015 г. был реализован проект по смещению участка трассы газопровода-шлейфа от КГС №513 на 16,5 м от берега реки. Принятые меры оказались недостаточными, уже с 2018 г. начали осуществляться дополнительные работы по засыпке формирующихся оврагов в непосредственной близости от КГС. В 2021 г. разработаны проектные решения по инженерной защите данного участка, предполагающие планировку поверхности склонов и возведение гидротехнических сооружений.

Рис. 8. Участок отступания берега в районе трассы газопровода-шлейфа от КГС №513 (Фото Петрова Б.В., 06.08.2021 г.)

В других случаях, когда КГС находятся на более отдаленном расстоянии от подмываемых берегов, целостности оснований угрожают формирующиеся по ним овраги. Талые, дождевые воды, а также надмерзлотные воды СТС активно разгружаются в реку на участках КГС, что ведет к образованию первичных эрозионных форм на поверхности откосов и пологонаклонных участков тундры. Ситуация резко усугубляется широким распространением по территории месторождения полигонально-жильных льдов. Развитие термоэрозионных процессов в районах распространения полигонально-жильных льдов часто приводит к формированию крупных овражных систем.

В таких районах на участках тундры, прилегающих к подмываемым берегам, разгрузка поверхностных вод идет по межполигональным понижениям, по кровле полигонально-жильных льдов. Постепенный размыв грунтовой кровли, рост мощности СТС приводит к термокарстовой просадке в результате вытаивания подземного льда, быстрому росту эрозионной формы и формированию крупной овражной системы, развивающейся по полигональной сетке.

В качестве примера рассмотрим КГС №514 (рис. 9). Площадка расположена в 260 м к югу от правого подмываемого берега р. Нгарка-Пойловояха. Район КГС характеризуется развитием полигонально-жильных льдов, по которым идет развитие крупной овражной системы. Длина оврага по основному руслу на 2021 г. составляет 230 м. С 2014 г. вершина оврага продвинулась от берега реки в сторону КГС на 40 м. Засыпка привершинной части оврага, обустройство в его днище водопропускного лотка по состоянию на 2021 г. остановило развитие оврага в направлении КГС.

Рис. 9. Овраг в районе КГС №514 (Фото Петрова Б.В., 15.08.2021 г.)

Заключение

Исследование показывает, что вслед за растеплением ММП в естественных ландшафтах, происходит также рост температур грунтовых оснований КГС. Темпы роста температур ниже фоновых и составляют в среднем 0,039 °С в год за период наблюдений с 1992 гг. Стабилизация температур грунтов оснований происходит на фоне снижения температуры добываемого газа, и особенно проявилась с 2007-2010 гг., когда темпы роста температур стали ощутимо ниже, чем за предшествующий период наблюдений.

По результатам исследования, температурное влияние скважин, добывающих сеноманский газ (от -8,9 ℃ до +6,0℃ на устье скважины) на вмещающие мерзлые породы практически не отмечается. Вокруг скважин, добывающих теплый валанжинский газ (от +14,8 ℃ до +25,7 ℃ на устье скважины) формируется ареол оттаивания, радиусом 5-10 м. Формирование воронок оседания вокруг эксплуатационных скважин не отмечено.

Важным фактором, оказывающим влияние на температурный режим грунтов оснований КГС, является толщина снежного покрова. Регулярные снегоочистительные работы на открытых участках делают температурный режим грунтов оснований КГС весьма чувствительным к температурам воздуха в зимний период.

Отмечается существенный рост температур мерзлых пород в понижениях, примыкающих к откосам отсыпки куста газовых скважин, что может способствует размыву этих откосов. В случаях, когда КГС расположена рядом с подмываемыми берегами рек на участках распространения полигонально-жильных льдов, растепление мерзлых грунтов оснований КГС, откосов площадок и прилегающих к ним участков понижений способствует интенсивному развитию термоэрозионных процессов и угрожает целостности грунтов оснований КГС.