Ученые разработали модель и сейсмометры для предотвращения катастроф при бурении на шельфе

Физики из МФТИ научились предсказывать положение зон аномально высокого пластового давления (АВПД), которые могут представлять опасность при бурении нефтегазовых скважин на шельфе. На таких участках в среде присутствует газ под аномально высоким давлением. В процессе бурения он может вырваться на поверхность и привести к авариям и даже экологическим катастрофам. Исследование опубликовано в Journal of Marine Science and Engineering.
Ученые построили физико-математическую модель, которая позволяет рассчитать свойства таких зон в зависимости от давления газа и промоделировать, как они выглядят в поле отраженных сейсмических волн. Задача возникла в связи с проектированием регистрирующей системы для сейсморазведки на шельфе, разработка которой ведется в МФТИ при поддержке Минобрнауки России и в партнерстве с сервисной компанией «ТНГ-Групп». В ходе проектирования потребовалось уточнить, какими характеристиками должны обладать донные сейсмические приемники, чтобы они позволяли обнаруживать такие зоны аномального давления. Результаты моделирования показали, что созданные в МФТИ сейсмические датчики пригодны для решения данной задачи. Ученые МФТИ также предложили методику наблюдений и инверсии сейсмических данных, которая позволит обнаруживать опасные зоны по данным сейсморазведки с донными приемниками. Аналогичные исследования, ранее проведенные физиками МФТИ совместно с коллегами из Центра анализа сейсмических данных МГУ, уже помогли безопасно пробурить скважину в Черном море.
При бурении скважин на шельфе могут возникать различные сложности, связанные со строением пород, давлением флюидов и другими факторами. Их важно учитывать: например, одна из самых известных катастроф на шельфе — взрыв нефтяной платформы в Мексиканском заливе в 2010 году — произошла из-за того, что ствол скважины был недостаточно укреплен и горючий газ из зоны АВПД под большим давлением попадал на поверхность. Для предупреждения подобных аварий как раз и необходимо обнаруживать подо дном зоны аномально высоких давлений газа. Их можно в дальнейшем избегать при бурении, а если бурить все-таки необходимо — требуется использовать специальное противовыбросовое оборудование. На небольших глубинах до 20–30 метров подо дном такие зоны можно исследовать с помощью сейсморазведки — когда по данным плавающих либо донных приемников определяют структуру и свойства пород. Кроме обнаружения скоплений газа, геофизики учатся предсказывать перемещения этих зон со временем. В процессе разработки месторождений, а также вследствие таяния мерзлых пород давление и места скопления газа могут меняться и безопасное место для бурения может стать опасным.
В рамках этой задачи ученые из МФТИ разработали сложную модель для поиска зон аномально высокого давления вблизи поверхности шельфа и оценки этого давления, а также определили параметры сейсмометров, необходимые для обнаружения аномалий.
Никита Дубиня, заместитель заведующего кафедрой прикладной геофизики МФТИ, ведущий научный сотрудник МФТИ и Института физики земли им. О. Ю. Шмидта рассказывает: «Исследование связано с главным направлением работы нашей группы, мы занимаемся разными проблемами нефтегазовой геофизики и, в частности, вопросами бурения на шельфе. Сейчас бурится очень много поисковых, разведочных, эксплуатационных скважин на шельфе России и возникают различные сложности. В рамках данного цикла работ мы рассматриваем проблемы так называемого аномально высокого порового давления на небольших глубинах — до 60 метров. Решается такая задача: допустим, мы провели сейсморазведку, узнали, где находится газ под высоким давлением или существуют другие потенциальные осложнения. Но данные, даже прошлогодние, могут устареть, и те зоны, которые раньше казались безопасными, — они уже стали опасными. И вот те результаты, о которых речь идет в статье, как раз и позволяют оценить, насколько изменятся показания донных сейсмометров при определенных изменениях среды, как нужно учитывать эти изменения. А с другой стороны, какими должны быть сейсмометры, чтобы они помогали обнаруживать такие зоны и мониторить их изменения».
Геофизики решали задачу в рамках проекта по бурению в Черном море. В этом регионе вблизи поверхности среда представляет смесь твердых, жидких и газоообразных фаз и слоев — на геофизическом языке говорят, что среда находится в неустойчивом состоянии, не консолидирована. Чтобы определить усредненные свойства среды, нужно знать параметры, структуру каждой фазы и взаимодействия между их частицами. Напрямую получить эти данные затруднительно, но по результатам сейсморазведки ученые построили математическую модель, воспроизводившую параметры реальной среды наиболее полно. Для этого исследователи добавили в общую модель только ключевые характеристики каждой фазы: механические свойства, форму частиц, взаимодействие между ними, давление газа и другие — получилась такая эффективная среда.
Далее физики рассчитали, как по такой обобщенной среде с заданными свойствами будут проходить упругие волны и как они будут отражаться от неоднородностей, таких как зоны с газом под высоким давлением. А эти данные уже легко получить методом сейсморазведки: упругие волны генерируются в водной среде и распространяются ото дна вглубь среды, где отражаются от неоднородностей. Затем донные сейсмометры регистрируют колебания точек поверхности дна, порождаемые отраженной упругой волной. По этим данным можно реконструировать свойства среды по глубине и обнаружить аномальные зоны.
Также ученые определили технические характеристики сейсмометров, необходимые для надежного прогнозирования зон аномально высокого давления: диапазон частот от 0,1 до 1000 герц. В этом случае можно обнаруживать аномальные зоны толщиной в несколько метров.
В итоге ученые с успехом решили практическую задачу. Сначала при бурении возникли осложнения. Затем геофизики построили модель, которая предсказала эти проблемные зоны, а главное, и безопасные участки. И уже в тех местах удалось без проблем пробурить скважину. Ученые планируют продолжить работу и исследовать, насколько быстро устаревают сейсмические данные и можно ли пользоваться данными сейсморазведки через 5–10 лет.
Никита Дубиня резюмирует: «Мы построили модель, которая позволяет определять свойства среды на основании неких модельных представлений о ее внутренней структуре. С помощью модели можно принимать решение о том, куда бурить, куда нет. Еще мы установили необходимые технические характеристики наших сейсмометров, разработали рекомендации по контролю состояния верхних слоев шельфа, по тому, какой должна быть система наблюдения. Результаты работы были использованы для уточнения положения скважин для бурения и уточнения параметров бурения. Модель действительно смогла предсказать и те зоны, через которые пробурились с осложнениями, и те зоны, которые бурили совершенно спокойно, без аварий. Дальнейшие исследования, наверное, будут направлены как раз на изучение вопроса устаревания сейсмических данных. Насколько долго они актуальными остаются, можно ли по контролю состояния среды определить, какие там процессы есть, какие процессы протекают сейчас, и сделать прогноз на будущее: а что у нас будет там через пять лет, через десять лет и так далее».