إن النشاط السيزمي - الطبيعي أو المحفز للحركة التي تقوم بها قشرة الأرض - يواجه تحديات وفرصاً في العمليات الميدانية للنفط والغاز، وفي حين يرتبط ذلك على نطاق واسع بالزلازل والهز البري، فإن آثاره تمتد إلى ديناميات الخزان، وسلامة الهياكل الأساسية، والسلامة التشغيلية، ففهم هذه التفاعلات ضروري للتقليل إلى أدنى حد من وقت التعطل، ومنع الحوادث البيئية، وتحقيق الاستخدام الأمثل لاستخراج الموارد.

أسباب النشاط السيزمي في مناطق النفط والغاز

وينشأ النشاط السيزمي في المناطق الهيدروكربونية من مصدرين رئيسيين: العمليات التكتونية الطبيعية والسيزمية التي يتسبب فيها الإنسان والمرتبطة بعمليات استخراج المواد، وتنجم الأحداث الطبيعية عن تحركات في الصفائح، يمكن أن تحدث في أي وقت وتؤثر على مناطق كبيرة، غير أن الظواهر السيزمية المسببة للمرض تُعترف بها بصورة متزايدة كنتيجة مباشرة للأنشطة الصناعية مثل الحقن السوائل، والكسر الهادي، واستراتيجيات المانعة.

أحداث تكتونية طبيعية

وتوجد العديد من حقول النفط والغاز في مناطق نشطة من قبيل الشرق الأوسط وخليج المكسيك والولايات المتحدة الغربية، وتقع هذه المناطق بالقرب من نظم الخطأ التي يتراكم فيها الإجهاد على مدى عقود أو قرون، وعندما يُطلق سراحه فجأة، يمكن للزلازل أن تولد حركة أرضية قوية بما يكفي لتغيير نظم الضغط تحت سطح الأرضي، وقطع الختم، وقطع آبار الإنتاج.

Induced Seismicity from Industry Operations

إن الاهتزاز الناجم عن الإنسان غالباً ما ينتج عن حقن السوائل العميقة، ويرتبط عادة باسترداد النفط المعزز أو التخلص من المياه المستعملة، مثلاً، يمكن أن يؤدي استخراج المياه بالحقن إلى مناطق عالية الضغط إلى حدوث أخطاء في الماضي، مما يؤدي إلى حدوث زلزال صغير إلى زلزال متوسط.

آثار النشاط السيزمي على الخزانات والإنتاج

الأحداث السيزمية تؤثر على حقول النفط والغاز على نطاقات متعددة من التغيرات على مستوى الميكروسكوبيك إلى إعادة توزيع الضغط على نطاق الميدان، وتتوقف خطورة هذه الآثار على حجم وقرب الحدث، وعلى الممتلكات الميكانيكية للمستودعات، وعلى حالة أعمال الآبار والمرافق السطحية القائمة.

النزاهة في الخزان والتشريد الخافض

ويمكن أن يؤدي التشنج البري إلى كسر أكابير خزانات الخزان، وإيجاد مسارات جديدة للهيدروكربونات إلى الهجرة إلى أعلى أو فيما بعد، وفي حين أن بعض الكسور قد تعزز القدرة على التحمل، فإنها أيضاً قد تخاطر بالتسرب غير الخاضع للمراقبة لتكوينات الغطاء أو السطح، وفي الحالات القصوى، يمكن للحلقات الجليدية أن تعيد تعبئة النفط المحصور أو الغاز المتغير، مما يؤدي إلى تغيير أنماط الإنتاج النهائية لسنوات.

وولبور وكاسينغ

فالآبار من أكثر المكونات ضعفا في حدث سيزمي، وقد تؤدي الضغوط الدينامية الناجمة عن الحركة الأرضية إلى الخيوط أو الخيوط الفارغة أو الانهيار، ولا سيما في نقاط ضعف مثل الروابط المختومة أو قرب أفران الأسمنت، وقد يؤدي الضرر الذي يلحق بغطاء الإنتاج أو التعبئة إلى فقدان السيطرة الجيدة، أو إلى هجرة الغاز إلى السطح، أو إلى تداعم بين الزلازل.

أوجه الضعف في الهياكل الأساسية

وبالإضافة إلى الخزانات والآبار، فإن النشاط السيزمي يهدد مباشرة الهياكل الأساسية السطحية والشبه السطحية، والخطوط الأرضية، ومرافق التجهيز، وخزانات التخزين، والمنابر البحرية، والطرق التي تشقق كل شيء في حالة من الزلازل، ويتوقف مدى الضرر على التصميم الهيكلي، وظروف التربة، ومحتويات الأحداث المتكررة.

وتواجه الأنابيب، بشكل خاص، مخاطر إضافية من جراء تهجير السفن وتركيبها في المناطق البرية، أو موازنة الغلط أو الانهيالات الأرضية التي يمكن أن تمزق خطوطها وتتسبب في تسرب النفط أو الغازات، وتواجه المنصات البحرية تحديات إضافية من موجات تسونامي المحتملة إذا ما كان مركز الزلزال يقع تحت المحيط، وعندما تفشل الهياكل الأساسية، فإن تكاليف الإصلاح قد تتصاعد، وقد تتفاقم إمدادات الوقود الأرضية لسنوات عديدة.

رصد التقنيات والتكنولوجيات

ويجمع الرصد السيزمي الحديث في حقول النفط والغاز بين الحصول على البيانات في الوقت الحقيقي والأدوات التحليلية المتقدمة، والهدف هو الكشف عن الأحداث في وقت مبكر، وتحديد آلياتها المصدرية، وربطها بارامترات تشغيلية، وتسترشد هذه المعلومات بقرارات إدارة المخاطر، بدءا من إغلاق الآبار لتعديل معدلات الحقن.

شبكات الاستشعار في الوقت الحقيقي

وتنشر صفائف دائمة من الهواتف الأرضية أو أجهزة التكليل في جميع الميادين لالتقاط الحركة الأرضية المستمرة، وترسل هذه أجهزة الاستشعار البيانات إلى محطات التجهيز المركزية، حيث تقوم الخوارزميات تلقائياً بالكشف عن أحداث السيزمية وتحديد مكانها، وفي الأحواض التي تنجم عنها الزلازل، يمكن للشبكات أن تميز بين الخزائن الطبيعية والصناعية ذات الصلة، مما يوفر للمشغلين إنذارات ذات الإحدارية القريبة من الأرض.

الدراسات الاستقصائية للنزعات السيزمية و 4D

وبالإضافة إلى الرصد السلبي، تجري الشركات دراسات استقصائية نشطة للزلازل - سواء من 2 دال أو 3 دال إلى خريطة الهياكل الفرعية قبل الإنتاج أو بعده، ويمكن للمشغلين أن يحددوا المناطق التي يمكن أن تزول فيها الأعطال، المعروفة باسم 4D سيزمية، وأن يسمحوا للمهندسين بتتبع تحركات السوائل، وتغييرات الضغط، وضبط الخزانات بمرور الوقت، وبإدماج هذه الصور ببيانات جيدة، يمكن للمشغلين تحديد مناطق الزلازلة المحتملة وتعديل خطط استخراج المعادن لتقليلها إلى أدنى حد ممكن.

استراتيجيات إدارة المخاطر

وتتطلب إدارة المخاطر السيزمية في حقول النفط والغاز اتباع نهج مطبق يلبي إدارة الخزانات، وتصميم المرافق، والبروتوكولات التشغيلية، ولا يكفي أي تدبير واحد؛ وبدلا من ذلك، تجمع الشركات بين الضوابط الهندسية والإدارة التكييفية استنادا إلى بيانات الزمن الحقيقي.

المراقبة على الضائقة

ومن أكثر الطرق فعالية للحد من الزلازل المستحثة إدارة الضغط المتأنية، إذ أن المشغلين، عن طريق الحد من معدلات الحقن السائلة والأحجام، يحتفظون بضغوط خزانية دون المستويات التي يمكن أن تُحدث أخطاء، وفي المناطق التي تُنتج عنها معدلات إهتزازات عالية، مثل أوكلاهوما، نفذوا حدود ضغط على الطبقات استنادا إلى الجيولوجيا المحلية، وتستخدم بعض الحقول نظما " الضوء الاستخراجي " التي تُعدُّل " التي تُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُ إلى حدّةُتُتُتُصُصُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُتُ

تعزيز الهياكل الأساسية وتصميمها

ويجب أن تمتثل الهياكل الأساسية في المناطق النشطة زلزامية لرموز البناء التي تمثل سرعة أرضية الذروة وظروف التربة الخاصة بالمواقع، وكثيرا ما تشمل خطوط الأنابيب المفاصل المرنة وثغرات التوسع لاستيعاب الحركة الأرضية، وترسخت الرؤوس بالسلاسل الزائدة والوسطاء التي تحسن جودة سندات الأسمنت، أما بالنسبة للمنابر البحرية ونظم العزلة الأساسية والأجهزة التي تزيل الطاقة فيمكن أن تقلل من تكاليف التهاز.

تخطيط الطوارئ والاستجابة في حالات الطوارئ

وحتى مع اتخاذ تدابير وقائية صارمة، يجب على الشركات أن تستعد لإمكانية حدوث حدث سيزمي كبير، وتشمل خطط الاستجابة لحالات الطوارئ تسلسلاً مؤتمتاً لوقف التنفيذ، وإجراءات القتل الجيدة، وبروتوكولات الاتصال مع المجتمعات المحلية والهيئات التنظيمية، كما تكفل عمليات الحفر والمناضبة المنتظمة تمكين الأطقم من تنفيذ هذه الخطط بسرعة وبأمانة، وتتابع عمليات التفتيش بعد وقوع الأحداث قوائم مرجعية موحدة تشمل السلامة، واختبارات ضغط الأنابيب، وترميم الأساس لتسوية ما إذا كانت العمليات ضرورية أم لا بد منها.

دراسات حالة من عمليات الصناعة

وتوضح الأمثلة على العالم الحقيقي تنوع الآثار الزلزالية والاستجابات عبر مختلف البيئات الجيولوجية والبيئات التنظيمية.

أوكلاهوما" مُستحثة على مواجهة الزلازل"

واعتباراً من عام 2009، شهدت أوكلاهوما زيادة كبيرة في معدلات الزلازل، من خط أساس يبلغ نحو 3 في المائة سنوياً إلى أكثر من 900 حدث في عام 2015، وقد أدت البحوث التي أجرتها USGS والمؤسسات الأكاديمية إلى ربط هذه الأحداث بضخ المياه المنتجة في آبار التخلص العميق في تشكيلة أربكلي، وفي ردها، نفذت لجنة أوكلاهوما برامج خفض الحجم الإلزامي(19).

The Groningen Gas Field in the Netherlands

وقد شهدت منطقة غرونغين في أكبر تراكمات الغاز الطبيعي على الشاطئ في العالم، حالة من الانزلاق بسبب الاهتزاز منذ التسعينات بسبب تقلص الخزانات من عقود من الاستخراج، وتسببت المزلاجات الأرضية إلى حجم 3.6 في أضراراً لآلاف المباني في المنطقة، مما أدى إلى حدوث تجاوزات عامة ومنازعات قانونية، ومنذ ذلك الحين قامت الحكومة الهولندية ومشغلة حركة عدم الانحياز بتنفيذ خطة خفض تدريجي في الإنتاج، مما أدى إلى خفض الناتج من 54 مليار متراً

الأطر التنظيمية ومعايير الصناعة

وضعت الوكالات الحكومية وهيئات الصناعة مبادئ توجيهية لإدارة المخاطر السيزمية في عمليات النفط والغاز، وفي الولايات المتحدة، قامت وكالة حماية البيئة، ومكتب إدارة الأراضي، والجهات التنظيمية على مستوى الولايات بمراقبة أنشطة الحقن بموجب قانون مياه الشرب المأمونة، ويقوم المعهد الأمريكي للبترول بنشر الممارسات الموصى بها من أجل التصميم الجيد والإسمنت والرصد.

وتشترط ولايات قضائية عديدة على المشغلين الآن تقديم تقييمات مخاطر الزلازل قبل السماح بالآبار الجديدة أو مشاريع الحقن، ويجب أن تشمل هذه التقييمات الوصف الجيولوجي للأخطاء، ومعدلات الزلازل الأساسية، وبروتوكولات المرور الخفيفة، وعندما تتجاوز الأحداث الحدود القصوى - ١,٥ إلى ٢ على نحو ثابت - عمليات جدول الأثرياء يجب أن تتوقف وتخضع للاستعراض، وقد أصبح هذا النهج الوقائي معيارياً في أحواض التعاون العالية النشاط.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ويقود الفهم المتزايد للنشاط السيزمي في حقول النفط والغاز الابتكار في كل من التكنولوجيا والممارسات التشغيلية، ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات العقد المقبل للإدارة الميدانية.

تكامل البيانات المتقدمة والتعلم في مجال الآلات

ومع تزايد كثافة شبكات الاستشعار وتوسع حجم البيانات، تُستخدم خوارزميات التعلم الآلات بشكل متزايد للتمييز بين الأحداث الطبيعية والمسببة، والتنبؤ باختلالات العطل، والتنبؤ بالجدول الزمني للحقن على النحو الأمثل، فعلى سبيل المثال، يُدرب الباحثون شبكات عصبية على فهرس الزلازل التاريخية وتاريخ الحقن لإنتاج خرائط مخاطر في الوقت الحقيقي، وهذه الأدوات تتيح للمشغلين اختبار سيناريوهات الميدانية الناشئة.

تحسين التصميم والمواد

وتنتج التطورات العلمية للمواد عن أغلفة ورموز أكثر مرونة مقاومة للتحميل الدوري، ويمكن أن تؤدي الصهاريج ذاتية التعافي، التي تستخدم البكتيريا لغلق الميكروفونات، إلى توسيع الحياة بشكل جيد والحد من مخاطر التسرب بعد وقوع أحداث زلزالية، وبالمثل، فإن الإكمالات البئرية بألياف ذكية تكشف عن الإجهاد في الوقت الحقيقي يمكن من الاستجابة السريعة قبل تصعيد الضرر.

ممارسات الاستخلاص المستدامة

وتشمل الاستراتيجيات الطويلة الأجل لإدارة النزعة السيزمية المستحثة الانتقال إلى نظم مشغلة تعمل على حفر السوائل التي تقلل من حقن المياه، أو إعادة الحقن المنتجة للمياه إلى نفس التشكيل الذي استُخرج منه لتجنب اختلالات الإجهاد، كما يقوم بعض المشغلين باستكشاف ]]] نظم حرارية جغرافية معززة ] التي تؤدي إلى إنتاج شبكات حرارية ومركبات الهيدروكربونية، مما يمكن أن يؤدي إلى تحقيق الاتساق بين نفس الصناعة.

خاتمة

ولا يزال النشاط السيزمي يمثل اعتباراً لا يتجزأ من التنمية الميدانية للنفط والغاز، سواء نشأت عن عمليات التكتون الطبيعية أو كمنتج ثانوي للاستخراج، وتتراوح الآثار بين إعادة توزيع سوائل الخزانات والأضرار المردودة التي تلحق بإخفاقات الهياكل الأساسية وشواغل السلامة العامة، وترتكز الإدارة الفعالة على أساس الرصد القوي، ومراقبة الحقن التكييفية، والتصميم المزود بالمعلومات عن المخاطر.