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.