Оценка геокриологических условий Ямала в целях перспектив развития нефтегазовой отрасли

Оценка геокриологических условий Ямала в целях перспектив развития нефтегазовой отрасли

Подземные воды нижнего гидрогеологического этажа находятся в обстановке затрудненного и весьма затрудненного водообмена. Воды солоноватые и соленые, по химическому составу хлоридные натриевые, часто с повышенным содержанием йода и брома. Газонасыщенность их высокая, а из растворенных газов доминирует метан. Воды термальные. Практически все они оцениваются как минеральные.

Водоносный кайнозойский этаж - КZ

В пределах района он представлен лишь одним водоносным палеоцен-четвертичным комплексом, в составе которого с различной степенью достоверности возможно выделение подразделений более низкого иерархического уровня.

Сезонно-водоносный верхненеоплейстоцен-голоценовый озерно-болотный, аллювиальный, делювиальный, морской, аллювиально-морской горизонт (lb, a, d, m, am QIII-H) на исследуемой территории распространен повсеместно. Основной критерий его выделения – климатический: подземные воды в жидкой фазе содержатся в проницаемых породах только в теплый период года (1,5-2 месяца). Водовмещающими отложениями являются пески, супеси, суглинки, алевриты и торф. Мощность горизонта полностью зависит от глубины сезонного протаивания, которая изменяется от 0,2 до 1,0м, иногда достигая 1,5м (в песках). Горизонт надмерзлотный, в подошве его залегают многолетнемерзлые породы палеоцен- четвертичного возраста.

Воды горизонта безнапорные, но при зимнем промерзании происходит увеличение объема грунтов и образуются местные напоры, приводящие к формированию однолетних бугров пучения. Уровни подземных вод близки к дневной поверхности. Химический состав вод в основном определяется составом атмосферных осадков и близок к химическому составу поверхностных вод: преимущественно гидрокарбонатные натриевые или кальциево-натриевые с минерализацией до 1 г/дм3. Воды от мягких до умеренно жестких (общая жесткость не превышает 5 моль/дм3), среда от слабокислой до нейтральной (рН от 5 до 7). Подземные воды буроватого цвета, содержат значительное количество органических веществ и железа, часто с болотным запахом.

Питание горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеготалых вод, значительное количество которых, а так же протаивание льдистых пород деятельного слоя, являются основными факторами практически постоянного существования надмерзлотных вод горизонта в летний период. Разгрузка подземных вод происходит во все понижения рельефа, обусловленных густой сетью рек, впадающих в Обскую губу.

Относительно водоносный криогенно-таликовый верхненеоплейстоцен-голоценовый аллювиальный, аллювиально-морской и морской горизонт – (a, am, mQIII-H) распространен в пределах низкой и высокой пойм, первой надпойменной террасы, первых аллювиально-морских и морских террас побережий Обского эстуария. Отепляющее действие водного потока рек и озер способствует понижению кровли ММП под руслами рек и под озерами, образуя подрусловые и подозерные несквозные талики. Мощность этих таликов не превышает первых метров, составляя в среднем 5-7м. Под отдельными глубокими озерами мощность талых пород достигает нескольких десятков метров. Так, по данным геофизических исследований вблизи поселков Мыс Каменный и Новый Порт под озерами глубиной 10-15м встречены несквозные талики мощностью 20-40 м. Кроме того, эти же исследования свидетельствуют о закономерном увеличении мощности несквозных таликов от верховьев рек к их устьям. Водовмещающие отложения представлены супесями, песками с гравием, суглинками.

Фильтрационные свойства и водообильность коллекторов, минерализация и химический состав подземных вод горизонта на территории не изучались. Питание горизонта осуществляется за счет фильтрации речных и озерных вод, а также инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка – в речную сеть и озера.

Наиболее значительная по мощности часть кайнозойского разреза приходится на относительно водоупорный криогенный палеоцен-четвертичный горизонт, возрастной диапазон которого в пределах некоторых высокоамплитудных положительных структур на западе района исследований ограничивается плиоценом-квартером (N2-Q). На территории объекта выделенные гидрогеологические подразделения пользуются практически сплошным распространением. Глубина залегания кровли горизонта изменяется от 0,2 до 5-7м (в районах развития несквозных таликов под руслами рек и акваториями озер), иногда понижаясь до 45-47м. Мощность горизонта варьирует от 5-10 до 300 м: минимальные ее значения отмечены в пределах прибрежных зон Обской губы, максимальные – в центральной части исследуемой территории. Прерывистость толщи  многолетнемерзлых пород обусловлена наличием сквозных таликов под руслами рек Пур, Хадутте, Мессояха, Нурмаяха, где реки становятся многоводными, широкими и глубокими. Крупные по площади сквозные талики отмечаются под акваториями Обской губы, в их глубоководной части. Не исключено, что под оз. Яван-То (р-н пос. Мыс Каменный) существует сквозной талик (мощность талых пород вскрытых скважиной под озером достигает 54 м).

Водоносный плиоценовый горизонт N2 распространен только в узких погребенных долинах, прорезающих новопортовскую толщу, и заключен между относительно водоупорным плиоцен-четвертичным и туронско-датским водоупорными горизонтами. На исследуемой территории он вскрыт скважиной у пос. Мыс Каменный (лист R-43-XXXII) в интервале глубин 259-372,5м, где представлен обводненными песками разнозернистыми с опоковыми гравием и галькой, переслаивающимися с песками мелко-среднезернистыми, супесями и суглинками, алевритами. Водообильность отложений высокая: дебит скважины 7,9 дм3/с при понижении уровня на 29,4м. Пьезометрический уровень установился на глубине 6 м.

По химическому составу воды хлоридные магниево-натриевые с минерализацией 15,8г/дм3. Содержание основных химических компонентов (в мг/дм3): хлориды - 9929, гидрокарбонаты - 207, натрий - 4090, магний - 724, кальций – 786, аммоний – 27, йод - 2,6, бром 37,8. Окисляемость вод - 54 мг/дм3О2. Воды очень жесткие (99,3 ммоль/дм3), слабощелочные (рН 7,4). Запах воды 1 балл, цветность 30о, мутность 178 мг/дм3.

Относительно водоносный нижнепалеоценовый горизонт распространен практически на всей площади, за исключением центральной части Новопортовского поднятия и узкой полосы в районе Каменномысской разведочной площади. Залегает он под относительно водоупорным палеоцен-четвертичным горизонтом, а подстилается водоупорным туронско-датским горизонтом. Максимальная вскрытая его мощность его 222м. Геологический разрез горизонта в нижней части представлен алевритами (до алевролитов) и глинами, в верхней – песками (до 40м), частым переслаиванием алевритов, песков мелкозернистых, суглинков и глин.

На рассматриваемой территории данный горизонт не изучался; можно предположить, что подземные воды хлоридные магниево-натриевые с минерализацией до 20 г/дм3.

Водоносный палеозойско-кайнозойский этаж - PZ-KZ

Изученность нижнего гидрогеодинамического этажа неравномерна как по площади, так и в разрезе, поэтому описание выделенных в нем гидрогеологических стратонов в значительной степени схематично и приведено по результатам испытания скважин поисково-разведочного бурения на нефть. С учетом имеющихся данных в составе этажа достаточно уверенно картируются три водоносных комплекса, краткая характеристика которых приведена ниже.

Водоносный нижнемеловой-нижнепалеоценовый комплекс включает отложения от берриасского (нижний мел) до датского яруса палеоцена включительно и является сложнопостроенным. По общности гидрогеодинамического режима, наличию в разрезе водоупорных и относительно водоупорных пород, определяющих взаимосвязь подземных вод и общности их химического состава в разрезе комплекса выделены таксономические единицы нижнего иерархического уровня – горизонты.

Водоупорный туронско-датский горизонт связан с отложениями кузнецовской, березовской, ганькинской свит и имеет повсеместное в районе распространение. В его строении принимают участие глины и опоки. Кровля горизонта фиксируется на глубинах 300-500м (абсолютные отметки минус 350-550м). Мощность горизонта изменяется от 440 до 680м, увеличиваясь в восточном направлении.

Водоносный апт-сеноманский горизонт (K1a-K2s) выделен в объеме танопчинской (верхняя часть), яронгской и марресалинской (западная часть территории) свит. Водовмещающими в западной части района являются аргиллитоподобные глины с частыми прослойками песчаников, алевролитов и уплотненных песков, а в восточной – песчаники, в сложном сочетании чередующиеся с глинами и алевролитами. Кровля горизонта прослеживается на абсолютных отметках минус 500 (Новопортовская площадь) – 1250 м, погружаясь в восточном и северо-восточном направлениях. Общая мощность рассматриваемого подразделения изменяется от 920 до 1160м, увеличиваясь в восточном направлении.

Воды горизонта напорные, пьезометрические уровни не превышают отметок 1-5м (Новопортовская, Каменномысская площади). Коллекторские свойства водовмещающих пород достаточно высоки: открытая пористость составляет 15-20%, что обеспечивает быстрое восстановление пьезометрических уровней в скважинах. Водообильность отложений изменяется в широких пределах: дебиты скважин варьируют от сотых долей (Новопортовская площадь) до 16,7 дм3/с при понижениях уровня соответственно на 54 и 499м. Преобладающие значения дебитов 2-5 дм3/с.

По химическому составу воды горизонта хлоридные натриевые с минерализацией от 4,6 до 23,8 г/дм3 при фоновых значениях 15-20 г/дм3. Воды практически бессульфатные. Содержание гидрокарбонатных ионов не превышает 500, ионов кальция - 350, калия - 40 мг/дм3. Концентрации в водах йода составляют 5,8-29,9, брома 11,7-52,4 и бора 2-10 мг/дм3. Для вод горизонта характерна высокая газонасыщенность - от 1000 до2300 см/дм3. Преобладающим компонентом растворенных газов является метан (94-99%), при содержании азота 1%, гелия и аргона - до сотых долей процента. Температура пластовых вод изменяется в пределах 24-39оС. Воды горизонта перспективны для промышленного извлечения йода и брома.

Относительно водоносный берриас-аптский горизонт К1b-a характеризует два типа вскрытого разреза: полуйско-ямальский, представленный танопчинской и ахской свитами, и уренгойский - тангаловская и сортымская свиты. Глубина залегания кровли горизонта колеблется от 1750 до 2200м, а в абсолютных отметках - от минус 1700 до 2250м. Горизонт представляет собой обводненную толщу, сложенную неравномерным и частым чередованием глин аргиллитоподобных, песчаников и алевролитов; при этом характерно уменьшение количества прослоев глинистых пород вверх по разрезу. Общая мощность горизонта достигает 800м.

Подземные воды горизонта напорные: пьезометрическая поверхность фиксируется на глубинах от 0 до 20м; иногда наблюдается самоизлив из скважин. Коллекторские свойства водоносных пород различные: в нижней части горизонта открытая пористость составляет 12-16%, а в верхней – 16-18%. Водообильность охарактеризована дебитами скважин 0,2-2,4 дм3/с при понижениях уровня до 400-700м.

По химическому составу воды горизонта хлоридные натриевые, гидрокарбонатные натриевые, бессульфатные с минерализацией от 5 до 7,9 г/дм3. Содержание гидрокарбонатных ионов достигает 3000, ионов кальция 92 мг/дм3. Концентрация йода составляет 6,1-12,2 мг/дм3, брома 9,2-15,8 мг/дм3, бора 2,6-4,4 мг/дм3. Воды щелочные и слабощелочные (рН - от 8,1 до 8,6). Состав растворенных газов метановый (84-92%) при содержании этана около 5%, пропана - 1%, азота - от 0,6 до 7%, гелия и аргона - не более сотых долей процента. Газонасыщенность вод изменяется в пределах 1200-3500 см3/дм3. Воды термальные: диапазон изменения пластовых температур 50-70оС.

Водоносный юрский-нижнемеловой комплекс (J-К1) на рассматриваемой площади развит повсеместно и объединяет отложения от зимней свиты нижней юры до баженовской и даниловской свит средней юры - нижнего мела (геттангский-берриасский ярусы). Глубина залегания его кровли в западной части территории близка к 2000м (Новопортовская площадь.

Водопроницаемость отложений характеризуется открытой пористостью, редко превышающей 9-12%. Притоки воды невелики: дебиты скважин до 0,7 дм3/с при понижениях уровня от 500 до 1000 и более метров. Пьезометрические уровни устанавливаются ниже поверхности земли.

По химическому составу воды хлоридные, гидрокарбонатно-хлоридные натриевые, с минерализацией от 10 до 13,7 г/дм3 (Новопортовская площадь). Содержание йода 3,4-9,6, брома 15,4-27,2, бора 5,4-7,5 г/дм3. В составе растворенных газов доминирует метан (до 93%), при содержании азота до 2%, пропана до 3%, гелия и аргона - 0,01-0,019%. Газонасыщенность вод изменяется в пределах 1500-4600 см3/дм3. Температура в пласте обычно выше 120оС.

Общие гидрогеохимические условия мезозойского водоносного этажа позволяют сделать вывод о том, что для рассматриваемой территории присущ инверсионный тип гидрогеохимической зональности: уменьшение минерализации и основных макро- и микрокомпонентов вниз по разрезу. Так, максимальные значения минерализации (20-23 г/дм3) в водоносном апт-сеноманском горизонте относительно водоносного берриас-аптского горизонта снижаются до 5-7 г/дм3. Наблюдается также переменная, более сложная вертикальная зональность (прямая, инверсионная, прямая): минерализация снова возрастает в юрском водоносном комплексе. Изменяется также гидрогеохимическая зональность и в пределах выделенного относительно водоносного берриас-аптского горизонта. Такая сложная гидрогеохимическая зональность находит объяснение лишь в специфических условиях формирования подземных вод.

Водоносный палеозойский комплекс – PZ

В качестве самостоятельных подразделений в его составе выделены водоносная зона и водоупорный горизонт, краткая характеристика которых приведена ниже.

Водоносная палеозойская зона связана с карбонатными и терригенными образованиями верхней части разреза доюрского фундамента, а на отдельных участках возможно и с изверженными и метаморфическими породами. По характеру накопления воды данного типа трещиноватые, порово-трещиноватые. Судя по геолого-геофизическим данным, предполагаемая глубина залегания водоносной зоны колеблется в весьма широком диапазоне – от 2490-2500м на Новопортовской площади до 5300м - в восточной и центральной частях территории.

По химическому составу воды хлоридные натриевые, с минерализацией 11,2 г/дм3. Содержание основных компонентов (в мг/дм3): хлориды – 6300, гидрокарбонаты – 561, натрий – 4210, калий – 38, кальций – 94, магний – 19, йод – 7,9, бром – 28, бор – 4. Сведения о водообильности пород не получены.

Надежным водоупором для вод этой зоны служат полифациальные образования палеозоя, включая и породы широко развитых в районе интрузивов.

Глава 4. Экономические предпосылки для оценки инженерно-геологических и геокриологических условий на

полуострове Ямал

4.1     Краткий обзор тенденций развития мировой энергетики

Углеводороды начали активно и повсеместно использоваться людьми со второй половины XIX века. За более чем 150 лет эксплуатации их роль в хозяйственной жизни человечества стремительно выросла, а энергия, извлеченная при сжигании углеводородов за все это время, стала движущей силой технического прогресса. Последний преобразил не только геологоразведку и нефтехимию, но и транспорт с обслуживающей его инфраструктурой.

В настоящее время нефть и природный газ занимают важнейшую нишу в Мировой энергетике, поэтому, естественно, что многими правительствами они оцениваются в качестве стратегического сырья, недостаток или дороговизна которого может привести к резкому замедлению темпов экономики и даже ее краху. Неравномерность распределения месторождений углеводородного сырья в мире является причиной больших политических рисков. Естественно, что многие развитые государства пытаются устранить или уменьшить эти риски как за счет геополитических, так и за счет технологических направлений деятельности.

Поскольку многие месторождения нефти исчерпаны или близки к своему исчерпанию (шельф Северного моря со знаменитой маркой нефти Brent), а разработка новых связана с большей себестоимости добычи за баррель за счет больших глубин залегания сырья и/или более сложных геологических и технологических условий добычи (разработка месторождений на шельфе с плавучих платформ), то можно констатировать, что время дешевой нефти подошло к концу. В совокупности с высокими политическими рисками современного мира, это грозит замедлением темпов роста Мировой экономики.

Естественно, что многие правительства и организации занимаются активным поиском выхода из предполагаемого тупика. Одним из возможных решений многим видится переход на использование водорода, энергия сгорания которого может в ближайшее столетие стать доминирующей для Мирового хозяйства. Преимущества использования водорода заключаются в его дешевизне (в качестве сырья – вода, которая расщепляется на водород и кислород) и экологической чистоте (нет загрязняющих атмосферу продуктов горения). Очевидны и недостатки: для расщепления воды требуется большое количество электрической энергии (она должна быть дешевой, как вариант, применение термоядерных реакторов), не существует пока достаточно приемлемых по безопасности и показателю “цена/качество”  технологий сжижения водорода, его транспортировки и соответствующих сплавов для двигателей внутреннего сгорания, где в качестве сырья будет использоваться этот газ. Учитывая вышесказанное, многие аналитики рассматривают природный газ в качестве приоритетного сырья для ТЭК в ближайшие 30-40 лет. Уже разработана промышленная технология низкотемпературного сжижения природного газа (LNG), которая в перспективе способна стать своеобразным мостом к развитию схожих технологий для водорода. За счет СПГ (сжиженного природного газа) многим корпорациям с большими газовыми ресурсами удастся выйти на мировые сырьевые рынки без громадных инвестиций в трубопроводную инфраструктуру. Что касается потребления природного газа, то оно чрезвычайно неоднородно в мире. Более половины ресурсов потребляется развитыми странами Европы и США (рис.6).

Рис. 6. Структура мирового потребления  природного газа в 2003 году.