На протяжении большей части последнего десятилетия индуцированная сейсмичность, связанная с закачкой, являлась одной из наиболее серьёзных проблем при управлении попутно добываемой водой в регионах центральной части США с активной разработкой нетрадиционных нефтегазовых месторождений. В бассейне Пермь (Permian Basin) высокая сейсмическая активность в отдельных районах была снижена за счёт локального ограничения объёмов глубинной закачки. Однако всё большая доля из более чем 20 млн баррелей в сутки попутно добываемой воды в Пермском бассейне направляется в мелкоглубинные горизонты для закачки, что создаёт новые вызовы для операторов и регулирующих органов.

Рост пластового давления теперь оказывает влияние на сотни тысяч исторических скважин в бассейне. Эти скважины имеют различный возраст, построены по разным стандартам крепления и иногда являются законсервированными или бесхозными. Последствия такого взаимодействия включают подземное перетекание флюидов, приводящее к нарушению герметичности системы, потенциальной угрозе для грунтовых вод и выходу рассола на поверхность через вертикальную миграцию по зонам повышенной проницаемости, включая разломы и старые стволы скважин.

То, каким образом операторы, регулирующие органы и исследователи будут совместно реагировать на этот новый риск, определит дальнейшее развитие системы управления попутно добываемой водой в Пермском бассейне.

Решение проблемы сейсмичности совместными усилиями промышленности и регулирующих органов

Начиная с 2010-х годов в нефтегазоносных бассейнах центральной части США наблюдался значительный рост количества землетрясений (Zoback and Hennings 2025). Большинство этих сейсмических событий связано с глубинной закачкой попутно добываемой воды в карбонатные коллекторы, расположенные ниже продуктивных сланцевых толщ и выше сейсмоактивного фундамента (Smye et al. 2024, Hennings et al. 2024). Практически во всех случаях горизонты закачки имеют прямую гидрогеологическую связь с зонами землетрясений через разломы, уходящие в фундамент (Horne et al. 2024).

В последние годы добровольное или обязательное сокращение объёмов закачки в глубокие горизонты в районах повышенной сейсмической активности, известных как зоны реагирования на сейсмичность (Seismic Response Areas, SRA), показало эффективность в снижении частоты и силы землетрясений (Рис. 1). В частности, в зоне North Culberson-Reeves SRA в Техасской части бассейна Delaware прекращение эксплуатации 20 глубоких нагнетательных скважин привело к снижению частоты землетрясений на две трети в период с 2022 по 2025 год.

Хотя уровень сейсмической активности, вероятно, будет оставаться выше естественного фонового уровня ещё несколько лет (Langenbruch and Zoback 2016 для аналогичной системы), успешное снижение наиболее проблемной сейсмичности является результатом совместной работы промышленности, регулирующих органов и научного сообщества.

Мелкоглубинная закачка и рост пластового давления

Поскольку доступность крупных мощностей глубоких пластов для хранения воды ограничена из-за сейсмических рисков, огромные объёмы ежедневно добываемой воды всё чаще направляются в мелкоглубинные горизонты для закачки. Эти горизонты расположены между продуктивными сланцевыми толщами и поверхностью земли на глубинах примерно от 4000 до 6000 футов в большей части Пермского бассейна.

За последнее десятилетие объёмы мелкоглубинной закачки увеличились примерно на 500% в бассейне Delaware и на 150% в бассейне Midland. В настоящее время ежемесячные объёмы утилизации попутно добываемой воды превышают 300 млн баррелей и 100 млн баррелей соответственно.

Последствия длительной эксплуатации системы мелкоглубинной закачки уже становятся измеримыми, неизбежными и требуют принятия соответствующих мер. Исследования Центра изучения закачки и сейсмичности (Center for Injection and Seismicity Research, CISR) при Бюро экономической геологии Техасского университета в Остине используют модели пластов, которые показывают, что с момента начала закачки и до 2025 года давление в мелкоглубинных коллекторах локально увеличилось до 25% в бассейне Delaware.

В некоторых районах рост давления составил 1000 фунтов на квадратный дюйм (psi) и более по сравнению с первоначальным пластовым давлением до начала закачки (обновлённые данные Ge et al. 2022).

Наиболее заметно влияние повышения давления проявляется в бассейне Delaware (Рис. 2). Это связано как с масштабами закачки, так и с географическим несоответствием между районами добычи и утилизации воды: в штате Нью-Мексико мелкоглубинная закачка в значительных объёмах разрешается нечасто, поэтому несколько миллионов баррелей воды в сутки транспортируются через границу штата для последующей утилизации.

В некоторых районах Пермского бассейна увеличение давления в мелкоглубинных горизонтах привело к подъёму земной поверхности, что было установлено на основе спутниковых данных InSAR. В отдельных районах, таких как Техасская часть бассейна Delaware, величина подъёма составила десятки сантиметров за последние 10 лет (Hennings et al. 2023).

В некоторых случаях такое поднятие поверхности может также указывать на нарушение герметичности системы закачки и потерю контроля над распространением закачиваемых флюидов (Zebker et al. 2025, Karanam et al. 2024).

Операторы вынуждены учитывать повышенное пластовое давление при планировании новых проектов разработки, поскольку для достижения продуктивных горизонтов необходимо бурить через мелкоглубинные зоны закачки. Рост давления требует применения дополнительных обсадных колонн и увеличения плотности бурового раствора для обеспечения устойчивости ствола скважины.

Закачка также оказывает локальное влияние на планы разработки и эксплуатации месторождений, напрямую воздействуя на экономику проектов через изменение схем размещения скважин и конструкций заканчивания. В некоторых случаях наблюдается обводнение продуктивных интервалов, что требует временного ограничения близлежащих операций по закачке для обеспечения безопасного бурения и заканчивания скважин.

Несмотря на существенные дополнительные расходы, эта проблема является вторичной по сравнению с более фундаментальной задачей, стоящей перед Пермским бассейном: обеспечение удержания попутно добываемой воды и управление сотнями тысяч исторических скважин, которые проходят через новые зоны повышенного давления.

Исторические скважины и риск нарушения герметичности

Более чем вековая история добычи в регионе Пермского бассейна оставила после себя несколько сотен тысяч исторических скважин различного возраста, конструкции и технического состояния (Рис. 3 и 4).

Эти скважины часто достигают полной глубины в тех же коллекторах, которые сегодня используются для мелкоглубинной закачки (Рис. 5). В настоящее время они подвергаются воздействию повышенного давления и могут иметь увеличенный риск нарушения целостности в зависимости от локальных геологических условий и состояния конструкции скважины.

Критически важным является тот факт, что проблемы целостности скважин, которые ранее не представляли существенной угрозы при нормальных или сниженных давлениях, могут стать активными рисками отказа при восстановлении давления в пластах вследствие закачки (Watson and Bachu 2009).

При отсутствии надёжной зональной изоляции такие скважины могут стать каналами для выхода флюидов на поверхность и способствовать вертикальной миграции жидкости в более мелкие водоносные горизонты (Рис. 5).

Часть этих исторических скважин являются бесхозными и заброшенными, поэтому требуют ликвидации за счёт государственных или федеральных программ финансирования. Железнодорожная комиссия Техаса (Railroad Commission of Texas, RRC) определяет приоритетность ликвидации бесхозных скважин с использованием многоуровневой системы, в которой категория Priority 1 присваивается скважинам с активными проявлениями выхода жидкости на поверхность, указывающими на нарушение герметичности на глубине.

Несмотря на увеличение темпов ликвидации скважин под управлением штата, количество скважин категории Priority 1, ожидающих ликвидации, выросло со среднего значения менее 10 скважин в месяц в 2020 году примерно до 30 скважин в 2026 году.

Зарегистрированные случаи выхода жидкости на поверхность, вероятно, являются лишь видимой частью значительно большего количества проблем с целостностью скважин, которые остаются незамеченными и неустранёнными (система приоритетов ликвидации скважин RRC).

Пути решения проблемы

Решение проблемы, связанной с историческими скважинами в Пермском бассейне, требует совместных действий промышленности, научного сообщества и регулирующих органов по нескольким направлениям: пересмотр подходов к оценке и приоритизации рисков, связанных с историческими скважинами в условиях закачки; внедрение систем мониторинга для выявления и предотвращения нарушений герметичности; а также изменение подходов к управлению закачкой на уровне всего бассейна.

Некоторые из предложенных мер направлены на устранение уже существующих рисков, тогда как другие имеют превентивный характер и предназначены для сохранения долгосрочной эффективности закачки как стратегии управления попутно добываемой водой.

1. Пересмотр оценки рисков исторических скважин и приоритетов их ликвидации с учётом условий закачки.    Управление историческими скважинами при использовании нагнетательных скважин класса II для захоронения солёной воды и повышения нефтеотдачи пластов обычно требуется для скважин, находящихся в пределах зоны анализа воздействия (Area of Review, AOR) фиксированного радиуса перед началом закачки.

Однако в условиях крупномасштабных систем закачки такой подход часто является недостаточным. Поэтому необходима региональная система оценки рисков, учитывающая опасность исторических скважин и текущее состояние подземных условий.

Основные параметры такой системы оценки могут включать:

a. Воздействие давления.    Помимо расстояния до нагнетательных скважин необходимо учитывать воздействие давления на существующие стволы скважин, включая величину давления, продолжительность воздействия и скорость его роста.

Исторические скважины, расположенные в зоне постоянной мелкоглубинной закачки, обладают потенциально более высоким уровнем риска по сравнению со скважинами за пределами таких зон.

b. Глубина заканчивания относительно текущего интервала закачки.    Скважины, законченные в тех же продуктивных формациях, которые используются для закачки, зависят от качества цементирования и надёжности изоляции.

Скважины, пробуренные в более глубокие горизонты, требуют сохранения целостности цементного кольца для обеспечения зональной изоляции. Скважины, расположенные выше интервала закачки, имеют более низкий, но не нулевой риск, связанный с возможным разрушением покрышки или другими путями миграции жидкости.

c. Конструктивные особенности скважины и вероятность коррозии или деградации.    Возраст скважины часто используется как показатель состояния конструкции, однако сам по себе он не является достаточным критерием оценки риска.

Материал обсадных колонн, толщина стенок, количество колонн, качество и вертикальная протяжённость цементирования напрямую влияют на способность скважины выдерживать повышенное давление.

Дополнительными факторами ускорения деградации могут быть воздействия агрессивных сред, включая такие коррозионно-активные компоненты, как CO₂ и H₂S.

d. Состояние ликвидации скважины и качество изоляционных работ.    Не заглушенные скважины и скважины, ликвидированные по устаревшим стандартам, должны рассматриваться как объекты повышенного приоритета.

Бесхозные скважины без зарегистрированного оператора относятся к наиболее рискованной категории и должны быть приоритетно оценены с учётом их расположения относительно зон распространения давления от нагнетательных операций.

e. Стратиграфические и гидрогеологические условия.    Качество покрышки над интервалом закачки, расстояние до нижней границы подземных источников питьевой воды, потенциальная гидравлическая связь между различными пластами, а также наличие неглубоких разломов, пересекающих стволы скважин, могут играть важную роль в возникновении нарушений герметичности.

Эти факторы должны системно учитываться при формировании региональной системы оценки рисков.

2. Мониторинг, выявление и реагирование на случаи нарушения герметичности.

Проактивное управление историческими скважинами является важным, но не полностью совершенным подходом. Оно осуществляется операторами и регулирующими органами в различных масштабах и зависит от доступности полной информации о конструкции скважин.

Мониторинг возможных потерь герметичности позволяет определить проблемные зоны и скважины, а также своевременно принять меры для снижения последствий.

Данные InSAR по деформациям поверхности могут использоваться для различения процессов расширения пласта внутри зоны закачки и локальных нарушений герметичности, повреждения покрышки или отказов исторических скважин.

Другие целевые методы мониторинга могут включать распределённые волоконно-оптические системы наблюдения, анализ фонового сейсмического шума с использованием методов оценки изменения скорости распространения сейсмических волн, микросейсмический мониторинг, программы отбора проб подземных вод и геохимический анализ индикаторов для определения миграции флюидов и давления в недрах.

Развёртывание таких технологий в зонах повышенного риска должно стать приоритетным направлением сотрудничества промышленности, регулирующих органов и научных организаций, включая такие исследовательские центры, как Center for Injection and Seismicity Research (CISR) при Бюро экономической геологии Университета Техаса.

3. Совместные стратегии управления пластами.

Хотя альтернативные методы управления водой, способные масштабироваться до уровня Пермского бассейна, всё ещё находятся в стадии развития, эффективное управление нагнетательными пластами имеет решающее значение для продления срока эксплуатации существующих мощностей закачки.

Исторически расположение мелкоглубинных нагнетательных скважин определялось преимущественно экономическими и эксплуатационными факторами — близостью к местам добычи и наземной инфраструктуре.

Однако управление закачкой исключительно на уровне отдельных лицензий или штатов снижает эффективность использования общего ресурса и усиливает проблему исторических скважин.

По мере сокращения доступной мощности необходим новый подход на уровне всего бассейна, при котором объёмы закачки рассматриваются как общий ресурс.

Выбор расположения нагнетательных объектов должен основываться не только на удобстве наземной инфраструктуры, но и учитывать оставшийся потенциал закачки, качество покрышки и риски, связанные с историческими скважинами.

Такой подход уже начинает применяться на практике. В Пермском бассейне появляются совместные системы мониторинга давления, сети транспортировки воды и добровольные механизмы ограничения объёмов закачки.

По мере того как управление давлением и риски исторических скважин становятся всё более взаимосвязанными на уровне всего бассейна, продление срока эксплуатации мелкоглубинных нагнетательных горизонтов и снижение рисков, связанных с историческими скважинами, становятся общей задачей, требующей совместных решений и партнёрства между промышленностью, регулирующими органами и научным сообществом.

Это позволит обеспечить устойчивое развитие добычи в одном из наиболее продуктивных нефтяных регионов мира — Пермском бассейне.

Данная статья опубликована в целях обмена отраслевыми знаниями и предоставления профессиональной информации.  Оригинальный источник и авторские права принадлежат соответствующим владельцам.  Источник: JPT – Society of Petroleum Engineers