Инженерно-геологические изыскания при обустройстве нефтяных и газовых месторождений. Учебное пособие

речных долин. Эти породы часто засоленные, слабовлажные. Лёссовые породы во многих районах просадочные. Территория отличается плоским рельефом и значительной сухостью. Условия изысканий и строительства в её пределах достаточно простые и благоприятные [7].

Таким образом, условия строительства промышленных, гражданских, дорожных и других наземных инженерных сооружений определяются в первую очередь тем, что сооружения будут возводиться преимущественно на позднекайнозойских (главным образом четвертичных) слаболитифицированных песчаных, лёссовых, глинистых и торфяных породах, характеризующихся сравнительно большой мощностью, горизонтальным залеганием и относительной выдержанностью фациальных особенностей.

Лишь в отдельных районах (вблизи палеозойского обрамления плиты), на поверхность выходят раннекайнозойские и мезозойские породы песчано-глинистого состава. Палеозойские породы обрамления, имеющие жёсткие кристаллизационные связи, выходят в некоторых речных долинах (реки Сосьва, Тура, Тобол и др.). Вместе с тем, выходы на дневную поверхность мезозойских и тем более палеозойских пород по сравнению со всей территорией Западно-Сибирской равнины настолько незначительны, что в подавляющем большинстве случаев условия строительства определяются позднекайнозойскими породами [4].

4.2. Особенности инженерно-геологических условий месторождений нефти и газа Западной Сибири

При разведке и освоении месторождений нефти и газа одной из первостепенных задач является подготовка территорий и обоснование проектов строительства разведочных и эксплуатационных скважин, насосных станций, дорог, нефте- и газопроводов и других сооружений. Осложняет эту задачу расположение наиболее перспективных промышленных месторождений в районах низменных равнин Западной и Восточной Сибири и в шельфовой зонеморей.

При строительстве сооружений в подобных условиях требуется выполнение больших работ по подготовке территорий путём повышения планировочных отметок поверхности земли отсыпкой горных пород, а в зоне шельфа – создание в отдельных случаях искусственных островов [4].

Следовательно, возникает задача строительства сооружений на искусственных техногенных образованиях, которые обычно подстилаются слабыми водонасыщенными заторфованными глинистыми и песчаными отложениями. Вопросы оценки и прогноза геологических условий строительства сооружений на техногенных образованиях изучены на данный момент времени недостаточно [4].

51

Откачка подземных вод и нефти при эксплуатации месторождений осуществляется в больших объемах, что ведет к снижению гидростатического напора подземных вод, а также изменению напряжённого состояния толщ горных пород [4].

Врезультате этих изменений в геологической среде в определённых геологических условиях происходят уплотнение (доуплотнение) толщ горных пород, заболачивание и затопление территорий, оседание и разрушение поверхности земли, деформации сооружений и другие явления, масштабы которых могут достигать угрожающих размеров [4].

Широкое развитие инженерно-геологических процессов (криогенных, гравитационных, связанных с деятельностью поверхностных и грунтовых вод и т.д.) на территориях, где планируется строить или уже эксплуатируются комплексы сооружений месторождений углеводородов Западной Сибири, приводит к тому, что категория сложности инженерногеологических условий часто является третьей. Это обстоятельство в свою очередь определяет необходимость высокой детальности изысканий.

Многие перспективные нефтяные и газовые районы на территории Тюменской области расположены в области распространения многолетнемёрзлых горных пород (как правило, в таких районах часто происходят оседание поверхности земли, заболачивание и затопление территорий, деформации сооружений и в том числе искривление и смятие стволов скважин в связи с оттаиванием мёрзлых пород при вскрытии их разведочными

иэксплуатационными скважинами) [4].

ВТюменской области ведущее место из криогенных процессов занимают пучение, растрескивание, термокарст и новообразование многолетнемёрзлых пород. Остальные процессы развиты локально. Каждому типу местности свойственен определённый комплекс процессов. В местностях озерно-болотного типа широко развит термокарст и слабо криогенное пучение, дополняют растрескивание либо новообразование многолетнемёрзлых пород; в хасырейских местностях – новообразование мёрзлых пород и пучение; в приречных и холмисто-увалистых местностях криогенные процессы имеют локальное распространение; в линейно-грядовых местностях резко преобладает многолетнее криогенное пучение [6].

Мерзлотные процессы значительно влияют на устойчивость и сохранность эксплуатационных инженерных сооружений и целых территорий. Развитие мерзлотных процессов приводит в одних случаях к расчленению рельефа, в других – к сглаживанию. В северной части Тюменской области (особенно полуострова Ямал и Гыданский) криогенные формы рельефа составляют самые важные характерные черты поверхностных условий.

На территории Тюменской области встречены как площади, так и бугры пучения, расположенные отдельно или целыми группами и имеющие различное происхождение при диаметре от 20-200 м, редко до 1,6 км. [6].

52

Термокарст имеет распространение на южно-тундровых морских равнинах, несколько меньше на южно-лесотундровых озерноаллювиальных равнинах и на северо-таёжных ландшафтах. Аномально высокой протяженностью термокарста (до 80-90% площади) отличаются озерно-болотные местности низких пойменных террас р. Пур правобережья р. Надым. Формы проявления рельефа – бугристые, бугристозападинные, плоско-западинные, полигональные. На территории Тюменской области также широко развиты термокарстовые озера, которые образуются за счёт вытаивания льда в мёрзлых породах. Имеют большие размеры, угловатые, иногда круглой формы.

Термокарст сопутствует большинству процессов в криолитозоне (эрозия, абразия, солифлюкция, суффозия). Весьма специфичен термокарст на Ямале. Он проявляется при таянии полигонально-жильного льда, а затем при последующей эрозии по образовавшимся ложбинам происходит интенсивное развитие овражной системы на поверхности морских и лагунно-морских террас.При вытаивании маломощных жильных льдов образуется плоскобугристая поверхность. При протаивании крупных гидролакколитов образуются глубокие воронки. Развитие термокарста по сегрегационным и полигонально-жильным льдам обусловливает высокую заозеренность. Термокарст, связанный с сезонным промерзанием грунтов, имеет значение инженерно-геологического процесса, приводящего к деформации и разрушению покрытий дорог и аэродромов [6].

Также следует упомянуть о влиянии динамически напряженных зон (ДНЗ) на долговечность и устойчивость зданий и сооружений на месторождениях. Под ДНЗ авторы монографии «Динамически напряженные зоны литосферы – активные каналы энерго-массопереноса» [8] понимают «ослабленные места (зоны), которые находясь в постоянно в динамическом напряжении, работают как активные каналы энерго-массопереноса, снимая (релаксируя) энергию напряжений либо различными видами деформаций формирующегося разлома, либо микросейсмическими колебаниями, распространяемыми, в основном, вверх по плоскости магистрального сместителя через всю толщу горных пород вплоть до дневной поверхности. Ближе к дневной поверхности в толще песчано-глинистых отложений яркие признаки разрывных деформаций исчезают, но влияние их физических полей присутствует в грунтах как в постоянных границах». Таким образом, ДНЗ – это своеобразные геологические тела с определенными параметрами и свойствами, разделяющие соседние геоблоки. Их возникновение связано с проявлением внутренних сил Земли. Среди основных физических параметров ДНЗ авторы монографии [8] выделяют линейные (объемные), временные и силовые, т.е. характеристики, образованные взаимной вариацией физических полей. Как было упомянуто выше, достаточно много сооружений на месторождениях относится к повышенному классу ответственности, поэтому влияние ДНЗ следует обяза-

53

тельно учитывать при составлении проектов обустройства месторождений. В монографии В.Н.Телициным, А.В.Радченко и В.В.Петровским, под редакцией В.М.Матусевича достоверно показано, что аварийные ситуации, возникающие при эксплуатации трубопроводов, дорог и других инженерных сооружений в Западной Сибири связаны с ДНЗ.

Доказательством вышеизложенного являются карты аварий скважин и прорывов трубопроводов на Усть-Балыкском месторождении (рис.). Как правило, они приурочены к ДНЗ, выявленным по геодинамическим данным (здесь это зоны разрывных нарушений) [6].

Профессор МГУ Н.А. Касьянова, Э.В. Соколовский и С.В. Шимкевич провели ретроспективный анализ аварийности скважин и прорывов нефтепроводов на Усть-Балыкском месторождении и получили данные о связи аварийности скважин с ДНЗ, особенно с их перекрестиями.

Эти данные были подтверждены не только комплексными геофизическими материалами, но и результатами бурения и изучением минералогического состава, литологии и петрографии керна, добытого из многочисленных скважин.

Авторы предлагают следующий путь прогнозирования возможных мест аварийности:

1.Определить ДНЗ и узловые зоны их пересечения с помощью аэрокосмических снимков и линеаментного анализа карт.

2.По предложенной автором классификации провести ранжирование ДНЗ и узловых зон их пересечения.

3.Исследовать в конкретных местах дешевыми методами биолокации, радиометрии и микробиологии на поверхности рельефа.

4.Наиболее активные зоны пересечения ДНЗ средних и высоких рангов при необходимости опробовать с помощью объемной сейсморазведки с применением буровых работ.

Как известно, ггеологические процессы проявляются в образовании

иразрушении горных пород, в изменении их физического состояния и условий залегания, в формировании и изменении рельефа земной поверхности, строения земной коры и внутренней структуры земли в целом. Все геологические процессы представляют огромный интерес в инженерном аспекте в связи с их влиянием на устойчивость местности и соответственно на устойчивость существующих, проектируемых и строящихся сооружений. Условия строительства сооружений на таких территориях особые, они регламентируются специальными строительными нормами и правилами, особыми принципами, необходимостью соблюдения осторожности и определённых ограничений и осуществлением специальных мероприятий для обеспечения устойчивости сооружений и нормальных условий их эксплуатации. Этим же обусловлена необходимость в охране таких территорий и жизни людей от стихийного и

54

катастрофического, вредного и опасного проявления геологических процессов и в их прогнозе [6].

Особо стоит отметить, что загрязнение территорий, почв, поверхностных и подземных вод разливами и выбросами нефтепродуктов при разведке и эксплуатации месторождений наносит внушительный ущерб природе, народному хозяйству и угрожает безопасности и жизни людей, поэтому разработка методов оценки загрязнения территорий и недр земли и защита от него является исключительно важной задачей.

Рисунок 4.1 – Схема совпадений мест аварий, происходивших в 1974 – 1997 гг.. нефтепровода УБО и разведочно-промысловых скважин Майского месторождения в пределах выделенных границ ДНЗ различных рангов

55

4.3. Состояние геологической среды Западно-Сибирского нефтегазового комплекса

Впоследние годы при формировании Западно-Сибирского нефтегазового комплекса резко возросло воздействие человека на окружающую среду – это приводит к авариям инженерных сооружений, загрязнению поверхностных и подземных вод и почв, лесным пожарам, к развитию целого комплекса негативных техногенных процессов – эрозии, пучению, проседанию, подтоплению крупных территорий.

Инженерно-хозяйственное воздействие на окружающую среду осуществляется через отдельные инженерные сооружения, через работу машин и механизмов, то есть систему инженерной деятельности («техносистему»). Окружающая среда и инженерно-хозяйственное воздействие рассматриваются как целостный объект. В нем существенно изменяется протекание естественных (биологических, физических, химических, геологических и др.) процессов и развиваются новые, которые названы техногенными процессами. Грамотное управление этими процессами – один из путей рационального использования и охраны окружающей среды. Источники загрязнения и изменения окружающей среды – это многочисленные виды инженерно-хозяйственной деятельности, в результате которых развиваются нежелательные процессы. Они возникают при поисках, разведке, добыче, переработке и транспортировке нефти и газа, строительстве городов, дорог, причалов, работе транспорта, заготовке и сплаве леса [4].

За период формирования Западно-Сибирского нефтегазового комплекса возникли и развиваются следующие нежелательные процессы:

загрязнение, замазучивание почв и грунтов нефтепродуктами;

загрязнение поверхностных и подземных вод нефтепродуктами;

утечки, разливы нефти и существенное изменение природных ландшафтов вплоть до уничтожения флоры и фауны;

деформирование земной поверхности, заболачивание территорий, образование новых болот;

подтопление городских территорий, трасс трубопроводов и линейных сооружений;

активизация геодинамических и криогенных процессов и явлений (эрозия, суффозия, оползание, термокарст, пучение и другое) [4].

Вусловиях обустройства и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений геологическая среда характеризуется целым рядом специфических особенностей, к числу которых относятся:

слабая естественная защищенность территории;

большой объем горных пород, испытывающих различное воздействие при поисках, разведке, обустройстве и эксплуатации;

56

наличие в вертикальном разрезе двух основных зон, где наиболее активно осуществляется инженерно-хозяйственное воздействие, развиваются техногенные процессы и изменяются компоненты геологической среды: а) приповерхностного слоя горных пород; б) зоны продуктивных пластов, где производится отбор (откачка) подземных вод, нефти, газа и газоконденсата;

наличие в приповерхностной зоне (5–20 м) геологической среды границы с атмосферой и гидросферой, что вызывает необходимость учитывать влияние климатических и физико-географических факторов.

Методика оценки инженерно-геологических условий при разработке рекомендаций по регулированию техногенных процессов основана:

на анализе материалов инженерных изысканий;

определении основных наиболее опасных техногенных процессов

иизучении естественных и нарушенных условий;

схематизации инженерно-геологических условий и техногенных факторов оцениваемой территории;

составлении расчётной геотехсистемы;

изучении и прогнозе развития техногенных процессов;

общей прогнозной оценке территории;

разработке рекомендаций по уменьшению отрицательного влияния техногенных процессов на геологическую среду [4].

4.4.Вопросы рационального использования и охраны геологической среды при наземном строительстве

Инженерно-хозяйственная деятельность при наземном строительстве подразделяется на три стадии, различающиеся по степени и длительности воздействия на геологическую среду (в зоне их воздействия оказывается грунтовая толща мощностью до 5–20 м.):

инженерные изыскания;

строительство;

эксплуатация объекта.

При изыскательских работах изменения геологической среды незначительны, однако в определённых инженерно-геологических условиях (зона распространения многолетнемёрзлых пород, сильноувлажненные грунты) может провоцировать развитие негативных процессов: вырубка леса приводит к эрозии почв; обнажение и подработка склонов

– к развитию солифлюкции, наледей; передвижение гусеничной техники в зоне распространения мерзлоты – к нарушению почвеннорастительного покрова, рельефа, что может вызвать протаивание многолетнемёрзлых пород и т.д. [4].

57

При наземном строительстве в процессе режимных наблюдений больше внимания следует уделять более динамичным компонентам геологической среды: минералогическому и механическому составу, влажности и температуре пород, колебанию уровня, химического и газового состава подземных и поверхностных вод, активизации нежелательных процессов (заболачивание, термокарст, проседание, пучение, эрозия).

Масштабы и темпы нарушения геологической среды при проведении строительных работ превышают во много раз нарушения геологической среды при изысканиях и эксплуатации объекта. Избежать их нельзя, но необходимо уменьшить путём грамотного использования данных изысканий проектировщиками и соблюдения строителями всех тех мероприятий, которые включены в проекты на основании материалов изысканий и режимных наблюдений.

Строгому контролю в области распространения многолетнемёрзлых пород подлежат следующие положения:

выбор участка строительства проводить только в летнее время;

основные транспортные, земляные и строительно-монтажные работы выполнять в период отрицательных температур;

планировку участков осуществлять без нарушения возвышенных мест, т. е. подсыпкой понижений;

в местах наиболее вероятного движения транспорта и строительной техники на участках повышенной эрозионной опасности отсыпать временные автодороги.

После окончания работ строительные организации обязаны произвести рекультивацию нарушенных земель (убрать строительный мусор, засыпать возникшие ямы и т.д.), осуществить биологическую рекультивацию посевом трав, дернинами местных трав, посадкой ивы [4].

В период эксплуатации инженерных сооружений нарушения геологической среды возможны в случае аварий (подток воды, прорыв трубоводов и т. д.), возникающих в результате технологического брака строителей, неправильной эксплуатации объекта, просчётов проектировщиков или изыскателей. Чтобы избежать последствий, которые возникнут при изменении геологической среды (деформация зданий и сооружений, выход из строя нефтегазопроводов и т. д.), необходимо осуществление постоянного мониторинга за изменением состояния геологической среды путём долговременных режимных наблюдений.

Характеристика современного состояния геологической среды позволяет сформулировать основные задачи инженерной геологии, имеющие экологическую направленность:

детальное выявление границ влияния сооружений на геологическую среду с учётом существующих, уже сформировавшихся сфер взаимодействия;

58

создание постоянно действующих моделей геологической среды, для каждого конкретного месторождения;

выявление качества геологической среды для оценки устойчивости к воздействию техногенной нагрузки, степени устойчивости, районирования территории по этому признаку с целью определения норм и видов техногенной нагрузки на ландшафт в целом [3].

При обработке газоконденсатных месторождений возможна добыча целого ряда ценных компонентов, к примеру, отбор парафина – ценного фармацевтического сырья.

В пластовых водах нефтяных месторождений содержится целый ряд полезных компонентов: йод, бром, калий, магний, бор, стронций и др.

При разработке бурых углей необходимо попутно извлекать бокситы, каолинитовые и монтмориллонитовые глины.

Торф – это не только топливо, это и ценное органическое удобрение, сырье для получения азота, стимуляторов роста. гуминовых препаратов.

Основными причинами загрязнения подземных вод являются:

низкое санитарно-техническое состояние эксплуатационных скважин на воду;

некачественная изоляция водоносного горизонта при бурении скважин;

использование большого количества пресных вод для поддержания пластового давления на нефтяных месторождениях;

проникновение промышленных стоков, нефтепродуктов и нефти

споверхности.

Более подробно вопросы загрязнения подземных вод в ЗападноСибирском регионе рассмотрены в учебном пособии Бешенцева В.А., Трофимовой Н.С.Экологическая гидрогеология [1].

Пристальное внимание должно уделяться изменениям естественного режима подземной и поверхностной гидросферы, теплового режима пород, инженерно-геологических свойств грунтов, изменениям земной поверхности, вызванным извлечением из недр огромных количеств нефти, газа, воды и газоконденсата.

59

5. РАСЧЁТ СМЕТНОЙ СТОИМОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

Стоимость проведения инженерно-геологических изысканий рассчитывается по Справочнику базовых цен на инженерно-геологические и инженерно-экологические изыскания для строительства (СБЦ) [10].

Справочник рекомендуется для определения базовой стоимости инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий, изысканий грунтовых строительных материалов и источников водоснабжения на базе подземных вод при формировании цен в договорах (контрактах).

Справочник содержит базовые цены на:

-рекогносцировочное (маршрутное) обследование и маршрутные наблюдения;

-буровые работы;

-горнопроходческие работы;

-опытно-фильтрационные работы, полевые исследования грунтов

иотбор проб;

-лабораторные работы и исследования;

-камеральные работы;

-разные работы и услуги;

-вспомогательные работы.

Цены в Справочнике приведены к базисному уровню на 01.01.1991 года. Коэффициент индексации на инженерно-геологические работы изменяется ежеквартально. Например, на I квартал 2016 г. коэффициент на инженерно-геологические работы равен 44,50 (Письмо Минстроя от

19.02.2016 N 4688-ХМ/05).

Пример расчёта сметы.

Составить смету на производство инженерно-геологических изысканий под строительство контрольно-пропускного пункта. Полевые работы будут выполняться в неблагоприятный период года в районе Нового Уренгоя. База предприятия, производящего изыскания, находится в г. Тюмень. Категория сложности инженерно-геологических условий – II.

Планируется выполнить следующие виды работ: 1. Полевые работы:

механическое колонковое бурение скважин диаметром до 160 мм глубиной 12 м в породах II категории – 88 м, в породах IV категории – 22 м;

статическое зондирование грунтов – в 6 скважинах глубиной 12 м;

отбор монолитов грунтов из скважин в интервале глубин от 0 до 10 м – 18 штук, от 10 до 12 м – 6 штук;

отбор 3 проб воды.

60