Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ТЕХНОГЕННОЕ ПОЛЕ И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ ЗЕМЛИ

Матусевич В.М. 1 Ковяткина Л.А. 1
1 ФГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Минобрнауки России
Целью исследования является установление закономерностей и последствий «искривления» природных физических полей под влиянием хозяйственной деятельности. На основе опубликованной литературы, результатов собственных наблюдений и исследований, термодинамических расчетов, картографических построений, включая аэрокосмические материалы, изучены проявления техногенеза в различных районах Западно-Сибирского мегабассейна. Рассмотрено влияние всепроникающего техногенного поля на физические поля Земли с акцентированием внимания на подземные воды, формирующиеся в различных природных условиях и испытывающие воздействие зональных типов техногенеза. Наиболее контрастные изменения выявлены для гравитационного и геотермического полей, отражающиеся в геогидродинамической, концентрационной и геотемпературной составляющих гидрогеологического поля. В результате взаимодействия техногенного и гравитационного поля происходит трансформация природных водонапорных систем. Изменения геотемпературного поля выражены в растеплении многолетнемерзлых пород и охлаждении недр; изменения концетрационного поля приводят к загрязнению геологической среды и техногенному минералообразованию. В совокупности эти изменения приводят к «вырождению» геологических структур, к ослаблению связей в горных породах, росту динамических напряжений и сейсмичности территорий.
физические поля Земли
подземные воды
многолетнемерзлые породы
геологическая среда
сверхглубокие скважины
техногенное поле
загрязнение
1. Анисимов О.А., Белолуцкая М.А. Оценка влияния изменения климата и деградации вечной мерзлоты на инфраструктуру в северных регионах России. – Метеорология и гидрология. – 2002. – № 6. – С. 15–22.
2. Ашихмин С.Г. Научные основы методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке месторождений нефти и газа. – Режим доступа: http://discollection.ru/article/19102010_ashihmin_sergej_gennad_evich_74910/7.
3. Перспективы нефтегазоносности глубокопогруженных отложений севера Западной Сибири по данным сверхглубокого бурения / Т.В. Белоконь-Карасева, В.И. Горбачев, С.Е. Башкова, Г.Л. Беляева, Ю.А. Ехлаков // Геология нефти и газа. – 2006. – № 6, С. 2–9.
4. Васильев Ю.В., Мартынов О.С., Радченко А.В. Изучение и анализ геодинамической обстановки на территории Нижневартовской ГРЭС и пос. Излучинск // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна: материалы всероссийской научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. – С. 204–208–440 с.
5. Запивалов Н.П., Попов И.П. Флюидодинамические модели залежей нефти и газа. – Новороссийск: Изд-во СО РАН, 2003.
6. Принципы обеспечения геодинамической и экологической безопасности при разработке нефтегазовых месторождений на территории ХМАО / А.В. Калугин, Ю.П. Казанцев, К.В. Беляев и др. // Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО. – Ханты-Мансийск, 2004. – С. 396–402.
7. Кутвицкая Н.Б., Рязанов А.В., Дашков А.Г. Обеспечение устойчивости опор трубопроводов, обвязки газовых и нефтяных добывающих скважин в условиях распространения вечномерзлых грунтов. – Режим доступа: http://www.fundamnt.ru/publications/pub034.html.
8. Некоторые особенности теплового влияния внутрипромысловых газопроводов подземной и наземной прокладки на многолетнемерзлые грунты в условиях Заполярного ГНКМ / Н.Б. Кутвицкая, С.П. Дмитриева, А.В. Рязанов, М.А. Магомедгаджиева, В.Д. Кауркин, Р.М. Минигулов, Р.В. Корытников. – Режим доступа: http://www.fundamnt.ru/publications/pub034.html.
9. Матусевич В.М., Ковяткина Л.А. Нефтегазовая гидрогеология, ч. 2. Нефтегазовая гидрогеология Западно-Сибирского мегабассейна – Тюмень: «Вектор Бук», 2010 – 216 с.
10. Матусевич В.М., Ковяткина Л.А. Техногенное гидрогеологическое поле как отражение современного состояния геологической среды // Подземная гидросфера. Материалы Всероссийского совещания по подземным водам востока России. – Иркутск: изд-во «Географ», 2012. – С. 111–116.
11. Матусевич В.М., Рыльков А.В., Ушатинский И.Н. Геофлюидальные системы и проблемы нефтегазоносности Западно-Сибирского мегабассейна. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – 225 с.
12. Проблемы Большого Уренгоя. Сулейманов Р., Ланчаков Г., Маринин В., Москвичев В., Григулецкий В., 2008. – Режим доступа: http://www.indpg.ru/nefteservis /2008/ 04/ 20007.html.

В последние годы внимание ученых привлекают проблемы, связанные с негативным влиянием хозяйственной деятельности на природную среду. В связи с этим широко используется понятие геологической среды, рассматривающаяся как многокомпонентная динамичная система верхней части литосферы, затронутая инженерной деятельностью человека (Е.М. Сергеев, В.А. Королев, В.Т. Трофимов, Е.Г. Бондарик и др.). Под влиянием различных факторов в природной среде постепенно или почти мгновенно (химические реакции, образование трещин при ГРП и др.) происходит изменение параметров природных физических полей, формируется и начинает функционировать техногенное поле. Чем более промышленно развита и урбанизирована территория, тем многочисленнее и разнообразнее воздействия и процессы, формирующие техногенное поле. На поверхности Земли и в ее недрах, куда дотянулась рука человека, а вернее его разум, где проявилась «ноосферная» деятельность, произошли необратимые изменения: в условиях залегания горных пород, и особенно насыщающих их флюидов, в объемах, массе, составе и свойствах этих флюидов, в их движении. Изменилось энергетическое состояние подверженных техногенезу систем, и в связи с этим нарушился естественный энергомассобмен с другими системами.

Вмешательство в природную среду привело к техногенной трансформации естественных геофизических полей, в результате чего сформировалось техногенное поле, которое «проросло» во все природные поля.

Западная Сибирь – уникальный регион на Земле по темпам и интенсивности освоения природных ресурсов, и, в первую очередь, месторождений углеводородного сырья.

Масштабы техногенных воздействий и вызванных ими изменений в Западно-Сибирском мегабассейне (ЗСМБ) колоссальны. В течение полувековой истории Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса из недр добыты миллиарды тонн нефти и триллионы кубометров газа, пробурены сотни тысяч поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин, построены десятки новых городов и поселков, тысячи километров различных трубопроводов, дорог, других объектов инфраструктуры нефтегазодобывающей и прочих отраслей хозяйственной деятельности.

Перенос вещества и энергии в оболочках Земли, по В.И. Вернадскому, осуществляется различными механизмами взаимодействия компонентов равновесно-неравновесной системы: «твердое тело – вода – газы – живое (органическое) вещество». В результате формируются естественные физические поля: гравитационное, тепловое, магнитное, электрическое, радиоактивное. Как частные (самостоятельные) виды этих полей в гидролитосфере трактуются гравитационное, геотермическое и концентрационное поля, представляющие собой в то же время гидрогеологическое поле.

Проявления техногенеза весьма разно­образны: добыча полезных ископаемых ведет к осушению месторождений, строительство наземных и подземных инженерных объектов – к развитию инженерно-геологических процессов; эксплуатация крупных водозаборов подземных вод и нефтегазовых месторождений приводят к понижению уровней и формированию крупномасштабных депрессионных воронок глубиной в десятки и сотни метров и радиусами в десятки километров, оседанию земной поверхности. Утечки из трубопроводов, дренажных систем, плотная застройка территорий с глубокими свайными фундаментами, оказывающими барражный эффект, способствуют подтоплению и формированию техногенных водоносных горизонтов, загрязнению всех компонентов окружающей среды.

Наряду с гидродинамическим режимом меняется и гидрогеохимическая составляющая водных потоков, водоносные горизонты загрязняются нитратами и пестицидами на сельскохозяйственных полях, нефтепродуктами и фенолами на трассах нефтепропроводов и нефтепромыслах, тяжелыми металлами в зонах влияния автодорог, самыми разнообразными химическими соединениями в зонах промышленного техногенеза и на полигонах бытовых и промышленных отходов.

В современной научной литературе и журнальных статьях отмечается все более заметное влияние человеческой деятельности, особенно на подземные воды приповерхностной части литосферы, что способствует формированию в геологической среде техногенного поля. Под его влиянием расширяются и углубляются пространственные границы геологической среды, их положение определяется характером техногенеза; верхней границей является поверхность земли, нижняя граница по мере бурения свехглубоких скважин уходит в недра на 7–8 км и более. С некоторой степенью условности нижнюю границу можно провести по забою самой глубокой горной выработки (Кольская скв. – более 12 км), хотя воздействие распространяется еще на некоторую глубину, оценить которую пока не представляется возможным.

В Западной Сибири в настоящее время насчитывается уже более 200 скважин, глубина которых перевалила за 4-километровую отметку, глубина ТСГ-6 составляет 7502 м, Ен-Яхинской скважины – 8250 м. В нефтегазопромысловых районах Западной Сибири основные запасы углеводородов сосредоточены в интервалах глубин 2–3 км, в нижней части осадочного чехла; соответственно глубина техногенного воздействия, нижняя граница геологической среды и глубина проникновения техногенного поля будут совпадать с кровлей фундамента. В недалеком будущем, по мере изучения пород фундамента и его нефтегазоносности, с началом разработки палеозойских коллекторов, эта граница углубится до уровня 5–6 и более километров от поверхности Земли. В доказательство этому можно привести данные по Тюменской (ТСГ-6) и Ен-Яхинской сверхглубоким скважинам. В процессе испытания ТСГ-6 из интервала 6600–6650 м была получена пластовая вода с низкой минерализацией < 3 г/л и высокой газонасыщенностью – до 10 л/л, в составе смеси метан (до 97 %), тяжелые УВ (< 0,99 %), гелий (до 0,11 %), «покрышкой» для предполагаемой залежи могут быть неизмененные базальты и аргиллиты в интервале глубин 6520–6606 м [3].

Ранее нами были выделены зональные типы техногенеза [9, 10] и соответствующие им основные схемы строения геологической среды ЗСМБ, для которых приведены примеры взаимодействия техногенного поля с природными геотермическим, геогидродинамическим и концентрационным.

Особенностью всех естественных физических полей является их автономность и характерный, присущий для данного поля параметр (температура, гидростатическое и геостатическое давления, концентрация вещества, окислительно-восстановительный потенциал и т.д.). Отличительными чертами техногенного поля являются его гетерогенность и полиморфность. Техногенное поле включает в себя все признаки существующих физических полей и в зависимости от способов воздействия человека на недра производит трансформацию естественных полей при его проникновении в каждое из них. Наиболее ощутимо воздействие техногенного поля на трансформацию геотемпературного, гравитационного и связанных с ними гидрогеодинамического и концентрационного полей.

Наиболее массовые и достоверные данные по техногенным флуктуациям геотемпературного поля получены для верхней наиболее доступной изучению зоны. Наибольшей трансформации при этом подвержен температурный режим многолетнемерзлых пород (ММП) и заключенных в них подземных вод, находящихся под влиянием техногенеза.

«Глобальное потепление» климата в криолитозоне в комплексе с пронизывающими литосферу многочисленными мелкими и глубокими скважинами, трубопроводами и другими инженерными сооружениями создают условия для растепления мерзлоты и ее деградации, для активизации различных мерзлотных процессов. На нефтегазовых промыслах вокруг добывающих, нагнетательных, водозаборных скважин формируются локальные талики, что приводит к просадке грунтов и образованию в приустьевой зоне воронок, влияющих на устойчивость скважин и наземного оборудования. Образование таликовых зон вокруг скважин создает опасность разгерметизации водоносных систем в толще ММП и формирования техногенных каналов для перетоков пластовых вод в вышележащие горизонты, их загрязнение.

Многие факты свидетельствуют о том, что в последние десятилетия негативное воздействие криогенных процессов на объекты инфраструктуры усилилось [1, 7, 8].

Проявлением гравитационного поля в гидросфере является геогидродинамическое поле продуктивных газовых и нефтяных горизонтов, испытывающих пульсирующие депрессионно-репрессионные колебания, размах которых достигает десятки мегапаскалей по давлениям и сотни метров, а на Ново-Уренгойском месторождении – до 1000 метров по напорам. Снижение давлений приводит к оседанию земной поверхности. На территории крупнейшего в мире Уренгойского газоконденсатного месторождения инструментальные наблюдения за 20 лет к 1995 году зафиксировали оседания поверхности до 340 мм [2].

Г.С. Вартанян и Г.В. Куликов (1983) ввели понятие «гидрогеодеформационное поле», которое формируется под влиянием пульсационного перераспределения флюидов в литосфере. Под действием кратковременных (в сравнении с геологическим временем) сейсмических и техногенных процессов изменяется напряженно-деформируемое состояние участка гидролитосферы и формируются аномальные зоны пластовых давлений, температуры, гидрогеохимические аномалии. В условиях техногенеза нефтегазопромыслового типа в Западной Сибири гидрогеодеформационное поле – это прежде всего техногенное поле, закономерности которого рассмотрены В.М. Матусевичем, А.Д. Резником и другими в ряде работ [11].

Колоссальное перераспределение давлений и напоров не только в продуктивных пластах, но и в смежных; изменение ионно-солевого состава и загрязнение подземных вод при нагнетании воды и различных химических агентов для увеличения нефтеотдачи пластов. При этом изменяются строение пустотного пространства пород, их фильтрационно-емкостные свойства, гидродинамические параметры и структура потока, что особенно контрастно проявляется при проведении гидроразрыва пласта [5].

«Техногенный шум», создаваемый функционированием разнообразных инженерных объектов и эксплуатацией нефтегазовых залежей прежде всего приводит к снижению сейсмической устойчивости территорий. Наиболее яркие проявления сейсмичности фиксируются в старых промысловых районах Среднего Приобья, где неоднократно наблюдались землетрясения интенсивностью до 3–4 баллов. Примером масштабного техногенного воздействия на геологическую среду может служить «событие в Среднем Приобье, когда за счет горизонтального сдвижения массивов горных пород слому и смятию подверглось более 3,5 тысяч колонн нефтяных скважин» [6].

Расчеты напряженно-деформированного состояния горного массива и земной поверхности показали, что при снижении пластовых давлений на 3–5 МПа на месторождениях с поддержанием пластового давления максимальные оседания поверхности не превышают 100–150 мм, а при большой мощности продуктивных пластов – 300–350 мм. Этот вывод подтверждается опытом инструментальных наблюдений на Усть-Балыкском геодинамическом полигоне [2]. По данным Ю.В. Васильева и др. [4], на Самотлорском геодинамическом полигоне за восьмилетний период наблюдений установлено оседание поверхности земли до 144 мм.

В Надым-Пур-Тазовском районе Западной Сибири извлекается около 88 % от общероссийской добычи газа, основные запасы сконцентрированы в сеноманских (Вынгапуровское, Комсомольское, Западно-Таркосалинское, Медвежье, Юбилейное, Ямсовейское, Уренгойское, Заполярное месторождения, Ямбургская и Харвутинская площади Ямбургского месторождения) и валанжинских залежах (Уренгойское и Ямбургское месторождения). В настоящее время разработка объектов сеноманской залежи осложняется обводнением конденсационными и пластовыми водами и разрушением призабойной зоны пласта. Динамика снижения пластового давления и подъема ГВК такова: максимальное падение давления отмечено на Уренгойской площади (на 9,4 МПа), подъем ГВК на 31 м, минимальные показатели — на Ен-Яхинской площади (8,2 МПа и 14 м соответственно) [12].

Концентрационная составляющая техногенного поля прослеживается во всех типах геологической среды на всех ее срезах в зависимости от видов техногенного воздействия, но наиболее опасное ее проявление – загрязнение подземных вод нефтепродуктами, метанолом, фенолами. На водозаборах питьевых и технических вод в разных районах выявлены селен и бериллий, ртуть, кадмий, барий, бор, бром и другие. В первую очередь – это поверхностные загрязнения, поступающие сверху от техногенных объектов селитебно-промышленного типа, и загрязнение снизу – через поглощающие скважины полигонов утилизации промышленных стоков, добывающих и нагнетательных скважин нефтепромыслов.

В сельскохозяйственных районах ЗСМБ, кроме того, получили распространение нитратное загрязнение грунтовых и субнапорных вод олигоцен-четвертичного комплекса; загрязнение сверху такими ставшими широко распространенными во всех компонентах природной среды элементами, как свинец, цинк, кобальт, бериллий.

Таким образом, основные результаты взаимодействия техногенного поля с природными физическими полями сводятся к «вырождению» геологических структур. Проникновение техногенного поля в гравитационное трансформирует природные водонапорные системы; взаимодействие с температурным полем ведет к деградации мерзлоты и охлаждению недр. Изменение концентрационного поля вызывает загрязнение и техногенное минералообразование, преобразование пустотного пространства и фильтрационно-емкостных свойств пород; ослабление структурных связей и рост динамических напряжений в массивах пород вызывают активизацию сейсмичности.

Уже на современном этапе перечисленные изменения в трансформированных техногенезом физических полях должны использоваться для «корректировки» и планирования хозяйственной деятельности, при разработке принципиально новых технологий освоения территорий с учетом параметров техногенного поля.

Рецензенты:

Воробьева С.В., д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень;

Корнев В.А., д.т.н., профессор кафедры прикладной геофизики Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень;

Лебедев В.И., д.г.-м.н., профессор, директор, ФГБУН «Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов Сибирского отделения Российской академии наук», г. Кызыл.

Работа поступила в редакцию 11.04.2013.


Библиографическая ссылка

Матусевич В.М., Ковяткина Л.А. ТЕХНОГЕННОЕ ПОЛЕ И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ФИЗИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ ЗЕМЛИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-2. – С. 402-406;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31522 (дата обращения: 27.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074