Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
5 мая 2010, Санкт-Петербург
Среди огромного количества экологических проблем нефтегазового комплекса существует вполне определенная область проблем геоэкологических. Среди них есть некоторое количество аспектов, в которых возможно надежное прогнозирование как техногенных катастроф, так и их последствий. Прогнозирование геоэкологических проблем стало возможным в связи с открывшейся некоторое время назад возможностью выявлять, картировать и изучать зоны тектонических нарушений (ЗТН) с помощью геофизической аппаратуры. Геофизический метод, который позволяет выявлять ЗТН - это метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [1]
Как ни странно, при ведении строительных работ наименьшее внимание всегда привлекали свойства того фундамента, на котором мы все существуем, а именно - грунта. Земная твердь казалась настолько надежной, что казалось, будто можно позволить себе формальное изучение грунта при инженерно-геологических изысканиях и формальное же проектирование инженерных сооружений при фактически полном отсутствии информации о его свойствах [2].
А между тем, еще в середине XIX века были обнаружены признаки того, что причина ряда разрушений инженерных сооружений обусловлена некими свойствами именно грунта. Об этом свидетельствует то, что аварии зачастую повторяются в одних и тех же местах. Особенно заметно это стало при развитии железнодорожных путей, а в дальнейшем, при эксплуатации трубопроводного транспорта. С увеличением времени эксплуатации трубопроводного транспорта стало окончательно ясно, что трубы рвутся большей частью именно в одних и тех же местах.
В случае разрыва трубы, аварийный кусок трубы вырезается и заменяется новым. Однако спустя некоторое время труба порвется там же, а старые участки трубы при этом могут стоять десятилетиями. Из документов служб эксплуатации нефте и газопроводов известно, что на некоторых участках количество разрывов одном и том же месте превышает 10. Мне представляется, что лучшего доказательства виновности геологии быть не может.
В 1993 году началось систематическое изучение свойств земной толщи с помощью метода ССП. При этом выяснилось, что очень нередко встречаются зоны, которые в дальнейшем были определены как зоны тектонических нарушений. Эти зоны обладают рядом свойств, позволяющих понять причины многих и многих аварий и техногенных катастроф [3].
Первое свойство ЗТН, которое удалось обнаружить, заключается в том, что горные породы в этих зонах находятся в весьма разрушенном состоянии. Буровикам это свойство хорошо известно. Они знают, что встречаются такие точки, где выход керна при бурении практически отсутствует. В этих зонах буровой инструмент ведет себя некоторым особым образом. Вместо того, чтобы испытывать увеличение сопротивления горных пород при увеличении глубины, инструмент сопротивления не встречает, и может даже проваливаться, причем на любых глубинах, вплоть до километровых.
Понятно, что находящийся в нарушенном состоянии грунт обладает пониженной несущей способностью, и это объясняет разного рода провисания и прогиб элементов несущих конструкций, рельсов и труб. Но почему при этом непременно происходит разрушение этих конструкций и сооружений - было непонятно до тех пор, пока не выяснилось еще одно свойство ЗТН.
Как показано в работах А.Д. Сашурина [4], в ЗТН имеет место пульсация грунта. Сашурин назвал это явление планетарной пульсацией. Частота этих колебаний поверхности грунта весьма низкая - миллигерцы, но амплитуда этих колебаний может оказаться колоссальной, достигающей иногда 10см. Явление планетарной пульсации позволило понять механику разрушения инженерных сооружений в ЗТН. В самом деле, представим себе, что трубопровод пересекает ЗТН. При этом в самой зоне труба зажата в пульсирующем грунте, а вне ЗТН - в неподвижном. За счет этого труба работает как на знакопеременный изгиб, так и на срез, что безусловно приведет к ее разрыву. Подобную нагрузку не выдержит никакой из материалов. И чем прочнее материал, тем быстрее он разрушится. Давно уже замечено, что железобетонные сооружения зачастую разрушаются быстрее кирпичных. Более, того, стало понятно, что это явление является причиной разрушения и самих горных пород в ЗТН.
Одним из неприятных моментов в нефтегазовой отрасли является аварийное состояние скважины. Бывает, что скважина начинает самостоятельно погружаться в грунт, а бывает, что даже и разрушается. Возможно, есть еще какие-то причины аварийного состояния скважин, но мне приходилось наблюдать подобную ситуацию, когда скважина оказывалась пробуренной в ЗТН.
В общем, это естественно, если скважина оказывается в условиях разрушенного, рыхлого материала и не имеет своей опорой прочные породы, способные удержать ее должным образом.
Работая на нефтепромыслах под Оренбургом, я сталкивался со случаями, когда скважины были пробурены в ЗТН. Как оказалось, традиционные сейсморазведочные методы информацию о местонахождении ЗТН не дают.
Влияние ЗТН ставит под удар и плавучие буровые установки. Очень большое внимание при их сооружении оказывается надежности их фундамента. Однако без информации о наличии ЗТН эту задачу решить невозможно.
Разрушенные породные структуры, уходящие в ЗТН на большие глубины, и имеющие контакты с такими же структурами других ЗТН, являются проницаемыми каналами, по которым могут мигрировать как нефтепродукты, так и газ [5].
Когда в 2005 году под Ржевом сошли с рельсов 24 вагона с мазутом грузового поезда [6], одна из цистерн с мазутом вылилась в воронку, образовавшуюся в насыпи в результате аварии. Буквально на следующий день этот мазут оказался в колодцах находящейся в двух километрах от места аварии деревни. К сожалению, поскольку жители деревни не смогли доказать, что в колодцы попал мазут именно из аварийного состава, никакой помощи ни от кого они не получили.
Подобная же миграция нефтепродуктов была зарегистрирована в 80-х годах ХХ века, когда в реке Лене обнаружились нефтепродукты из подземного хранилища, находящегося в 50км от реки.
Несколько лет назад финская космическая аппаратура зарегистрировала появление нефтепродуктов в водоемах, находящихся в непосредственной близости от площадки испытаний авиадвигателей завода им. Климова (между Озерками и Парголово, СПб). Как оказалось, из находившихся там 8 большеобъемных цистерн (по 2000м3), одна текла. За сутки утечка составляла около 100 тонн. Обследование методом ССП показало, что цистерна оказалась в ЗТН, в результате чего в ней образовалась трещина, и далее, по проницаемым каналам керосин распространился в окружающие водоемы.
К сожалению, выводы, сделанные нами по поводу причин утечки топлива из цистерн не были восприняты. Как нам сказали (заказчики - экологи СПб), трещина в цистерне возникла из-за плохого ее качества. Это им известно точно, поскольку ее заваривали уже несколько раз (!!). Как нам стало известно, большеобъемные цистерны текут очень часто, причем во всех странах.
Разного рода хранилища токсичных продуктов зачастую являются источником экологических катастроф. Если на их территории оказываются ЗТН, то герметичность хранилищ нарушается в результате рассмотренных выше механизмов разрушения инженерных сооружений, и продукт выходит за пределы хранилищ [7].
В результате обследования территории хранилища высокотоксичных отходов химического производства «Красный Бор» (СПб) нам удалось установить, что она пересекается мощным тектоническим нарушением. Дополнительные проверки результатов наших исследований с помощью радоновой съемки, а также анализа химического состава грунта подтвердили их. В результате, стала понятной причина появления на окружающих полигон угодьях различных ядохимикатов.
В настоящее время строится (или уже построилось) гигантское подземное хранилище радиоактивных отходов под Красноярском. К сожалению, специалистами института Геофизики СО АН РФ не был использован метод ССП, а те методы, которые они использовали, информацию, с помощью которой могут быть выявлены зоны утечки, не дают. Так что нетрудно представить себе, что там теперь будет.
Причиной многих экологических бедствий оказались подземные газохранилища. Дело в том, что вероятность наличия ЗТН на площади, отведенной под хранилище, достаточно велика, и закаченному в хранилище газу ничто не мешает мигрировать вдоль проницаемых каналов разрушенных пород. Мы участвовали в обследовании территории, отведенной под подземное газохранилище в Касимово (Подмосковье) и выявили методом ССП наличие ЗТН на отведенной территории. Однако это не помешало строительству газохранилища, и вот сейчас там, где раньше был замечательный лес и луга, полные грибов и ягод, теперь мертвая, безжизненная зона.
В СМИ проходило сообщение о том, что кто-то из наших политиков предложил зарубежным организациям помочь с решением проблемы утечки газа из подземных хранилищ. Этот метод заключается в том, что если в подземном пространстве взорвать атомный заряд, то горные породы оплавятся, и тем самым будет достигнута герметичность. Да, это действительно так. Но если эта полость с оплавленными горными породами пересекается ЗТН, то спустя некоторое время горные породы в этих зонах снова разрушатся под воздействием планетарной пульсации.
И еще одно свойство зон тектонических нарушений, наличие которого приводит к аварии тех инженерных сооружений, которые оказывают на грунт динамическую (вибрационную) нагрузку. В рамках тематики настоящей статьи, это насосные станции, станции газоперекачки, а также газовые турбины.
Дело в том, что первичным физическим эффектом, на котором базируется спектральная сейсморазведка (и метод ССП, в частности), заключается в том, что по акустическим свойствам земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Главной характеристикой колебательной системы является ее добротность. И вот, так оказалось, что в ЗТН величина добротности залегающих там геологических структур имеет повышенное значение.
Роль этого факта станет ясной, если привести следующее определение колебательной системы:
колебательная система - это устройство, которое на частоте, равной собственной частоте колебательной системы f0 , то есть, на резонансе увеличивает амплитуду внешнего вибрационного воздействия в Q раз. Q - это добротность колебательной системы.
Величина добротности колебательных систем, залегающих в земной толще, обычно не превышает 10÷20. В ЗТН добротность может достигать нескольких сотен. Здесь важно понимать, что в реальности амплитуда колебаний не может возрасти так сильно, потому что это превысило бы предел упругой деформации, при достижении которого происходит разрушение. На практике, резонансному разрушению предшествуют следующие события.
Начиная с момента, когда наступает равенство частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебательной системы, залегающей в земной толще, непосредственно под вибрирующем устройством (насос, динамо-машина и т.п.), начинается плавный рост амплитуды вибрации станины вибрирующего устройства. Рост амплитуды продолжается до тех пор, пока не произойдет разрушение. Это может быть разрушение грунта с образованием воронки или, если вибрирующее устройство закреплено на мощном железобетонном фундаменте, то оно в ходе увеличения амплитуды вибрации сорвется с этих креплений. Возможен вариант, когда железобетонное основание разваливается, и вибрирующее устройство проваливается вместе с самим основанием. В любом случае, разрушение происходит настолько стремительно, что часто возникает впечатление, что это взрыв. При значительной величине Q переход к разрушительному резонансу происходит не в стационарном режиме работы установок, а при изменении частоты вибрации.
Такое вот разрушение - не редкость на газпромовских насосных станциях. Непременным признаком того, что авария произошла из-за разрушительного резонанса - наличие перед моментом аварии сильнейшей, увеличивающейся вибрации, которая прекращается в момент аварии самим разрушением [8].
Все перечисленные типы техногенных катастроф до сих пор всегда происходили внезапно. Назвать катастрофу внезапной - значит, признать ее непрогнозируемой. Учет влияния зон тектонических нарушений выводит эти типы техногенных катастроф из ряда непрогнозируемых.
