Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0105

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0105
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка новых технологий мониторинга и управления сейсмическими рисками природного и техногенного характеров при промышленном освоении шельфовых нефтегазовых месторождений
Докладчик
Коновалов Алексей Валерьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка программно-технических решений в области создания комплексных систем мониторинга за естественной и техногенной сейсмичностью с автоматизацией процедур сбора, передачи, хранения, обработки данных инструментальных наблюдений:
1) Разработка программно-технических решений в области моделирования сейсмического и геодеформационного процессов при перемещении (отборе и нагнетании) жидкости в геосреде.
2) Разработка программно-технических решений в области создания краткосрочного прогноза времени возникновения сильных землетрясений, вычисления наиболее вероятных параметров сильных движений и косейсмических деформаций.
Актуальность и новизна исследования
В мировой практике отмечены многочисленные случаи возникновения техногенных землетрясений, связанные с промышленным освоением месторождений нефти и газа. К ним относятся серия землетрясений на месторождениях в Оклахоме (США), на месторождении Экофиск (Норвегия) и др., ассоциируемых так или иначе с разработкой месторождений нефти и газа. Даже малоамплитудные техногенные события могут вызвать опасные сейсмические воздействия. Так, землетрясение с магнитудой М=5.6, произошедшее в начале сентября 2016 г. в Оклахоме и вызвавшее повреждение зданий, связано с добычей сланцевой нефти, несмотря на то, что интенсивность операций по гидроразрыву там резко снизилась за последние годы.
В ходе выполнения Проекта разработаны программно-технические решения в области мониторинга и моделирования сейсмического процесса,выполнена их апробация на существующем полигоне утилизации промысловых вод. С помощью созданной автоматизированной системы сейсмического мониторинга впервые для Сахалина получены уникальные сведения об активизации сейсмичности вблизи полигона закачки жидкости, согласующиеся с результатам численного моделирования. В совокупности это позволяет предложить новую сервисную услугу компаниям нефтегазового сектора: мониторинг и моделирование устойчивости геологической среды в результате техногенных воздействий при промышленном освоении месторождений нефти и газа.
Полученные результаты характеризуются научной новизной и соответствуют мировому уровню, что подтверждается соответствующими публикациями в ведущих российских и зарубежных журналах.
Описание исследования

Сеть станций для сейсмического мониторинга о. Сахалин насчитывает 16 пунктов наблюдения, от которых непрерывно поступает поток зарегистрированных волновых форм в центр обработки данных (ЦОД) в режиме реального времени. Задержка передачи данных в ЦОД не превышает 20 секунд. Синхронизация времени на всех станциях выполняется при помощи GPS. Сеть станций оборудована высокочувствительными короткопериодными датчиками, а также акселерометрами для регистрации сильных движений грунта и широкополосными станциями для более детального изучения наблюдаемых явлений.

Архитектура системы разработана с учётом международной практики построения прикладных информационных систем. Ключевые моменты, которые были учтены при разработке архитектуры, – надёжность системы на всех этапах обработки данных, отказоустойчивость, прозрачное масштабирование. Поток данных от сейсмической сети поступает в систему непрерывно через набор модулей сбора цифровых записей колебаний грунта. Все исходные цифровые записи, полученные со станций, архивируются в неизменном виде. Это позволяет провести независимую процедуру уточнения результатов на этапе пост-обработки. В рамках работы автоматических процессов поток волновых данных фильтруется для подготовки к обработке. Далее, каждый цифровой канал подвергается анализу на предмет сейсмических проявлений. Специализированный модуль системы непрерывно проверяет группы зафиксированных триггеров на предмет возникновения сейсмического события. В случае обнаружения землетрясения выполняется расчёт параметров очага и определение локальной магнитуды [Степнов и др., 2016]. Рассчитанные параметры помещаются в базу данных для последующей обработки, анализа и уточнения.

Основы методов расчета местных полей напряжений, возникающих при нагнетании и извлечении флюидов в процессе эксплуатации месторождений нефти и газа, были предложены в работах [Rice, Cleary, 1976]. Полезность и эффективность этих методов определяются прежде всего правильным выбором модели среды и формулировкой уравнений движения, приводящих к численным процедурам для нахождения решения. В этой связи особенно важны результаты работ [Segall, 1985, 1989, 2015], в которых сформулирована ясная постановка общей задачи и развиты несколько аналитических методов ее решения, позволяющих при некоторых приемлемых упрощениях, дать достаточно полное описание напряженно-деформированного состояния среды при нагнетании и извлечении флюидов.

Разработанный программный модуль моделирования позволяет проектировщику производить построение исследуемой области, варианты размещения нагнетателя скважин, а так же ввод основных параметров среды. Программная реализация модуля совместного моделирования деформационных и фильтрационных процессов в геосреде выполнена при помощи  программных пакетов OpenFOAM 2.4.0 и FreeFem++, предназначенных для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, в некотором домене или доменах при помощи метода конечных элементов.

Пакет C++ библиотек OpenFOAM 2.4.0 представляет собой набор скомпилированных модулей, а также их исходных кодов, инкапсулирующих в полном соответствии с принципами объектно-ориентированного программирования (ООП) все наиболее распространенные объекты и операции вычислительной механики сплошных сред. Также C++-подобным языком описывается расчетная геометрия, граничные и начальные условия и различные параметры среды. Построение модуля расчета напряжений базируется на стандартном решателе из пакета OpenFOAM для упругой деформации изотропного тела – solidDisplacementFoam. К его коду добавлена процедура дискретизации и решения уравнения Дарси для порового давления.

Аналогично на основе программного пакет FreeFem++ производится разработка программного обеспечения с использованием языка программирования C++, программного интерфейса OpenGL и библиотеки генерации сетки NetGen [Дубов, 2014]. Программный комплекс состоит из 4 компонент, выполняющих взаимосвязанные функции.

Программная реализация должна функционировать как под ОС Ubuntu так и ОС Windows. Поэтому библиотеки, используемые в модулях, должны быть бесплатными и иметь лицензию, допускающую их использование в коммерческих научных проектах. Это налагает ограничения на использование программных продуктов с лицензией GNU GPL, которая применена к библиотекам OpenFoam. При этом лицензии на Freefem++ и NetGen не ограничивают лицензию разрабатываемого продукта. Таким образом Freefem++ и NetGen являются альтернативой библиотеке OpenFoam и целесообразно использование их при разработке программных продуктов.

Результаты исследования

Проанализирована сейсмическая активизация в нескольких километрах к юго-западу от полигона утилизации промысловых вод на северо-восточном шельфе о. Сахалин.Известно, что ввод скважины в эксплуатацию был запланирован в 2006 г., а максимальный темп закачки – в 2012 г. Первые микро-землетрясения были зарегистрированы в данном районе в июне 2012 г. Основная часть сейсмических событий приходится на октябрь-ноябрь 2013 г., а магнитуда сильнейшего в этой серии события составила ML=4.1. Глубина залегания очагов землетрясений составила около 10-12 км, что существенно больше глубины залегания пластов (около 2 км), на горизонте которых производится закачка жидкости. В 2014 г. и последующие годы был зафиксирован еще один рой землетрясений в 30 км к западу от полигона. Максимальная сейсмическая активность пришлась на конец июня – начало июля 2014 г., а магнитуда сильнейшего в этой серии события составила ML=4.5. Глубина очагов варьируется от 10 до 15 км.

По-видимому, гидравлическая передача порового давления через разломы и систему трещин в массиве к местам, где комбинация эффективных напряжений в породе близка к критическим значениям, является главной причиной активизации сейсмичности. Это может объяснить трансфер напряжений на глубину сейсмогенного слоя 5-10 км за счет диффузии порового давления по высокопроницаемым (трещиноватым) слоям геологической среды. Подобные примеры отмечены в различных районах нефтегазовых разработок (Оклахома, Колорадо, Арканзас и др.), в некоторых из них сейсмичность регистрировалась в 35 км от полигона закачки жидкости и на глубине до 10 км [Goebeletal., 2016].

Моделирование напряженно-деформированного состояния геосреды при перемещении жидкости показало [Zabolotin et al., 2016], что скорость накопления касательных напряжений, вызванных закачкой жидкости, может быть сопоставима со скоростью накопления тектонических напряжений в случае, когда разломная зона симулируется относительно повышенным значением проницаемости. В этом случае сейсмическая активность может увеличиться в два раза уже на 5-ый год после начала закачки жидкости на глубине сейсмогенного слоя 5-10 км. Скважина расположена в 5 км от разлома, моделируемого вертикальной плоскостью со взбросовым механизмом подвижки согласно определениям тензора сейсмического момента. В результате получены согласующиеся с натурными данными оценки активизировавшейся сейсмичности. Натурные наблюдения выявили несколько важных эффектов, которые обсуждаются в представленном докладе.

Практическая значимость исследования
Техническая сложность и, как следствие, стоимость ликвидации последствий экологических катастроф на шельфе на порядок превышают сложность и стоимость аналогичных работ на суше. Применение комплекса работ, включающего инструментальные сейсмологические наблюдения и моделирование, позволит своевременно обнаружить потенциальные участки критического изменения напряженно-деформационного состояния геологической среды, в которых могут произойти опасные движения грунта, вызванные производственной деятельностью на месторождениях нефти и газа. На основе таких мероприятий на любой стадии производства существует возможность скорректировать план по минимизации геологических рисков, в том числе техногенной природы.
Важным практическим аспектом реализованной автоматизированной системы сейсмического мониторинга выступает оперативность оценки сейсмических воздействий на здания, сооружения и объекты промышленной инфраструктуры. Оперативно рассчитанные параметры очага в комплексе с измеренными данными о колебаниях грунта позволяют оценить степень поврежденности объектов на основе проектных динамических характеристик. Развитие плотной сети сейсмических станций, в том числе акселерометров, выполняемое исполнителями Проекта совместно и с его Индустриальным партнером за счет внебюджетных средств, позволит получать достаточно точную оперативную оценку интенсивности ощутимых землетрясений,что представляет практический интерес для экологических компаний, компаний-операторов шельфовых нефтегазовых проектов, а также заинтересованных ведомств экстренного реагирования на природные и техногенные катастрофы.
В рамках разработанной схемы коммерциализации услуг по мониторингу и моделированию устойчивости геологической среды в результате техногенных воздействий при промышленном освоении месторождений нефти и газа, особое внимание уделено схеме продвижения сервисных услуг на базе специализированного интернет-сайта (http://eqalert.ru), ориентированного на привлечение потенциальных заказчиков услуг, разработка и запуск которого производилась Индустриальным партнером Проекта.