книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

дов, таких как геодезические наблюдения деформаций в зоне разлома и мониторинг геофизическими методами зоны разлома. В настоящее время технология оперативного поиска и контроля активных разломов включает [36]:

электроразведку методом сопротивлений для поиска и карти­ рования разломов по аномалиям удельного, электрического со­ противления (УЭС) и изучения зоны влияния разлома;

оценку «активности» или «не активности» выявленного раз­ лома путем определения и анализа структуры естественного им­ пульсного электромагнитного излучения (ЕЭМИ).

Дополнительно по профилям, пересекающим трассу разлома, выполняют высокоточные гравиметрические работы и определе­ ние интенсивности эманаций радона или гелия.

Успешное применение обозначенных выше методов для выде­ ления геодинамически активных зон по трассам газопроводов представлено в работах специалистов института ВНИМИ [23, 36]. Однако вопрос стоимости таких работ, последующих меро­ приятий на выделенных участках, длина которых достигает не­ скольких километров, остается открытым. Отметим при этом, что зоны аномалий УЭС, ЕЭМИ и плотностей распределения инерт­ ных газов составляют в пределах километра. Другим неопреде­ ленным вопросом в оценке влияния блоковых структур на ус­ тойчивость линейных сооружений является вопрос о том, какие преобладают смещения: горизонтальные или вертикальные? Ис­ следователи всего лишь указывают - на характер смещений, на­ пример, один мезоблок испытывает опускание относительно дру­ гого. На неотектонических картах приводится также возможное направление горизонтальных смещений, однако количественной оценки как вертикальных, так и горизонтальных смещений не приводится. Приведенные в разделах 4.1 и 4.2 примеры расчетов возможных смещений пород на контактах блоков показывают всю степень неопределенности как исходных параметров, так и получаемых результатов.

Деформирование скважин

Многочисленные случаи нарушения эксплуатационных ко­ лонн скважин на месторождениях Западной Сибири в интерва­ лах глинистых пород (300-500 м) породили и многочисленные гипотезы их деформирования, которые связаны как с индивиду­ альными представлениями конкретных авторов, так и с действи­ тельным многообразием причин, порождающих данные явления. Одна из гипотез связывает нарушения скважин с тектонической деятельностью земной коры (О.Д. Гусейн-Заде, В.И. Гридин,

В.В. Кравцов, В.И. Белкин). К данному направлению примы­ кает также гипотеза, объясняющая возникновение деформаций колонн суперинтенсивными движениями земной поверхности (Ю.О. Кузьмин, Н.А. Касьянова и В.А. Сидоров).

Вторая гипотеза основана на учете способности монтмориллонитовых глин набухать и создавать дополнительное давление (В.П. Ростков, А.А. Нежельский, ВНИИКРнефть). Однако для набухания глин необходим дополнительный приток воды, кото­ рый возможен только из поврежденных нагнетательных или до­ бывающих скважин. То есть в данной гипотезе не учитывается первопричина, приводящая к нарушению скважин. Кроме того, лабораторные исследования, проведенные в СибНИИНП, не подтверждают расчеты ВНИИКРнефть по определению макси­ мального давления набухания глин при контакте с водой (Р„ = = 30,5 МПа). По данным СибНИИНП [9] набухаемость и давле­ ние набухания глин люлинворской свиты отсутствует.

А.Т. Кошелев и А.В. Колотов [16], рассматривая и анализируя эти две первых гипотезы для условий месторождений Западной Сибири, пришли к выводу, что они не соответствуют действи­ тельным причинам нарушения колонн. Авторы настоящей ра­ боты анализировали возможность возникновения дополнитель­ ных напряжений и деформаций на контактах блоковых структур применительно к Западно-Сургутскому и Родниковому месторо­ ждениям Западной Сибири. Результаты математического моде­ лирования процессов деформирования горного массива и земной поверхности при наличии динамически напряженных зон (ДНЗ) на месторождениях не дают заметного изменения величин стати­ ческих сдвижений в районах ДНЗ. Широкие полосы ДНЗ (ши­ риной до 5-7 км), выделенные отдельными исследователями, практически не влияют на напряженно-деформированное состоя­ ние горного массива и земной поверхности при разработке ме­ сторождения. Заметное влияние ДНЗ может сказываться при модуле упругости пород, слагающих ДНЗ, отличающемся в не­ сколько раз (десять и более) от модуля упругости основных по­ род. Такое отличие не представляется реальным. Существенное влияние на изменение напряженно-деформированного состояние могут оказывать узкие (до первых десятков метров) зоны текто­ нических нарушений, упругие свойства которых могут отли­ чаться в несколько раз от упругих свойств основного массива. Периодическое возникновение на них концентрированных верти­ кальных и горизонтальных деформаций может со временем при­ вести к нарушению нормальной эксплуатации объекта, однако наличие таких зон не свойственно территории нефтяных место­ рождений Западной Сибири.

Мировой опыт отработки месторождений углеводородного сырья не располагает примерами массового нарушения целостно­ сти эксплуатационных колонн, которые были характерны для месторождений Западной Сибири. Довольно распространенные деформации эксплуатационных колонн в пластичных породах приурочены, как правило, к значительным глубинам (2000 м и более) и связаны с действием сминающей нагрузки, которая пре­ восходит предел текучести эксплуатационной колонны. Массо­ вые деформирования скважин имели место на месторождении Экофиск в Северном море, месторождениях Willmington, Ingle­ wood, Coalinga и других и связаны с процессами сдвижения гор­ ных пород и техногенными землетрясениями, вызванными добы­ чей нефти [24, 28, 53]. На указанных месторождениях просадки земной поверхности составили 6-9 м. Так на месторождении Willmington было срезано в процессе техногенного земле­ трясения, вызванного добычей нефти, около 200 скважин. На некоторых других месторождениях мира также имели место слу­ чаи деформирования скважин, вызванные интенсивными просад­ ками. Однако максимально возможные просадки поверхности на месторождениях ОАО «Сургутнефтегаз», как было установлено (см. главу 3), могут достигать 100 мм при падении давления на 3-4 МПа. Такие просадки не могут привести к нарушению сква­ жин. Техногенные сейсмические явления не зафиксированы на месторождениях Западной Сибири. Все это позволяет сделать вывод, что техногенные геомеханические и геодинамические яв­ ления не могут быть причиной массового деформирования сква­ жин на месторождениях Западной Сибири.

Мировой опыт дает преимущественно единичные случаи де­ формирования скважин. Эти случаи связываются с активностью тектонических нарушений, которые пересекает скважина, с ано­ мально высокими пластовыми давлениями, с изменением свойств глинистых пород под влиянием техногенной жидкости в про­ цессе бурения, с высокой кавернозностью пород [24]. Г.Б. Брайен (США) [3] отмечает, что часто повреждения обсадных колонн связаны с их продольным изгибом.

В 2001 г. авторами настоящей работы были выполнены спе­ циальные исследования анализа причин и механизма деформи­ рования скважин на месторождениях ООО «Сургутнефтегаз» [12]. Подробное рассмотрение напряженно-деформированного состояния конструкции нефтяной скважины, строившейся на месторождениях Западной Сибири, представлено в главе 5. Ре­ зультаты исследований показали, что основными причинами на­ рушений эксплуатационных колонн было некачественное цемен­ тирование скважин, несоответствие скорости набора прочности

цементного камня скорости нарастания напряжений в люлинворских и чеганских глинах, а также некачественные трубы. Таким образом основными причинами нарушений скважин был не геодинамический, а технологический или даже «человеческий» фак­ тор. Примечательно, что проблема нарушения эксплуатационных колонн на месторождениях Западной Сибири была решена спус­ ком удлиненных кондукторов на нагнетательных скважинах и использованием высокопрочных труб.

Отметим также, что на территории ВКМКС (регион Запад­ ного Урала, который нельзя отнести к асейсмичным регионам) построено свыше 900 скважин и не зафиксировано ни одного нарушения конструкции скважины как в интервале соляных по­ род, так и в интервале карбонатных пород.

4.4. ТЕХНОГЕННЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА

Техногенные сейсмические явления при разработке месторо­ ждений нефти и газа представляют наиболее яркие и масштаб­ ные проявления геодинамической активности недр, приводящие не только к тяжелым экологическим и техническим для пред­ приятия последствиям, но и к социальной напряженности в ре­ гионе разработки месторождения. Отметим, что техногенные зем­ летрясения широко сопровождают масштабную добычу подзем­ ным способом твердых полезных ископаемых, возведение высот­ ных плотин и последующее заполнение водохранилищ. Однако по масштабам выделяемой энергии сейсмические толчки, наблю­ даемые при разработке месторождений углеводородов, значитель­ но превышают аналогичные явления при остальных видах воз­ действия на недра, а в ряде случаев приближаются по силе к при­ родным землетрясениям, характерным для региона месторожде­ ния. Следует отметить, что исследователи отмечают незначитель­ ные сейсмические явления на очень многих нефтяных и газовых месторождений мира, где имеются сейсмостанции [42, 47, 53].

Анализ землетрясений, связанных с разработкой месторожде­ ний газа и нефти, позволил В.А. Сидорову выявить следующие особенности [35].

Сейсмические события на разрабатываемых месторождениях углеводородов возникают как при интенсивном отборе флюида и снижении пластового давления, так и при вторичном воздейст­ вии на пласт, при этом отсутствует зависимость между началом разработки месторождений углеводородов, т.е. количеством ото­ бранного флюида, и началом возникновения сейсмической ак­ тивности.

Для техногенных сейсмических событий, к которым следует относить события с очагами, расположенными в пределах резер­ вуара нефти или газа, характерна магнитуда, не превышающая 3,0-3,5.

Значительно более интенсивны (М = 4,0-г4,5 и более) и по­ этому наиболее опасны индуцированные землетрясения, очаги которых могут быть расположены выше, ниже и даже в стороне от резервуара. Положение очагов индуцированных землетрясе­ ний контролируется разломами, которые предрасположены к сдвиговым деформациям. По существу индуцированные события являются тектоническими, но их возникновение инициировано процессами разработки месторождений, без чего такие события не могли бы произойти.

Изменение режима «отбор-закачка флюида» обычно приводит к изменению режима (прежде всего количества) сейсмических событий.

Снижение пластового давления в резервуаре и его объемное сжатие приводит к деформации слабосжимаемой толщи (по­ крышки), непосредственно залегающей над резервуаром. В этом случае возникновение землетрясений контролируется прочност­ ными свойствами пород покрышки.

К этому следует добавить, что значительные техногенные сейсмические явления характерны, прежде всего, для месторож­ дений с АВПД, находящихся преимущественно в сейсмически активных регионах (или поблизости находится сейсмически ак­ тивный регион), продуктивные объекты которых, а также покры­ вающие или подстилающие породы представлены высокопроч­ ными, высокомодульными литологическими разностями, способ­ ными накапливать и мгновенно высвобождать упругую энергию деформирования. При этом поступление воды в залежь в про­ цессе внедрения системы ППД или природного заводения вслед­ ствие падения пластового давления является одной из основных причин активизации явлений. Характерно, например, что сниже­ ние в несколько раз закачиваемой воды в пласт на Ромашкинском месторождении привело к значительному снижению числа событий [31]. Это свидетельствует о какой-то возможности управления данными событиями.

Достаточно подробные сведения о имевших место случаях землетрясений при разработке нефти и газа представлены в ра­ ботах В.А. Сидорова, Ю.О. Кузьмина [20, 35], в известной моно­ графии-сборнике трудов международного конгресса по механике горных пород на больших глубинах, который состоялся в г. По в августе 1989 г. [24, 53], а также в уже многочисленных научнотехнических статьях по данной тематике [2, 19, 37, 42, 43, 45, 48,

51, 52, 53]. В рамках данной работы нет смысла пересказывать содержание этих публикаций, остановимся лишь на некоторых характерных моментах, раскрывающих геодинамический и при­ кладной характер этих исследований, которые помогут при оцен­ ке магнитуды явлений.

Напряжения в земной коре, обусловленные гравитацией и тектоническими силами, приводят к движениям и деформациям с внезапным высвобождением упругой энергии горных массивоВ' Выход на земную поверхность генерируемых этим событием волн называется землетрясением в узком значении этого слова.

Первичные математические представления характеризуют землетрясение как неустойчивый рост магистральной трещины в идеально упругом теле [18, 25, 33]. Однако энергетические оцен­ ки, а также данные о величинах напряжений в земной коре пока­ зывают недостаточность такой модели очага землетрясения. Наи­ более адекватной математической моделью очага служит трещи­ на (разлом) в полупространстве, неупругая часть деформаций которого обладает дилатансионными свойствами. Развитие дилатансионных деформаций на этапах подготовки землетрясения происходит с характерной скоростью, связанной с возможным переносом влаги, а в момент землетрясения при неустойчивом росте разлома - с наличием предельных скоростей динами­ ческого разрушения.

Вблизи вершины трещины, а при скольжении вдоль готового разлома - в его бортах, может быть превзойден предел упругости горного массива, что приводит к появлению дилатансионно-раз- рушаемых объемов. Последние фиксируются как зоны понижен­ ных сейсмоскоростей, отождествляются с областью сейсмических толчков, предваряющих главный удар - очагов форшоков, и яв­ ляются главным источником информации о подготовке земле­ трясения. Зона афтершоков отождествляется с областью упругой разгрузки. Источником форшоков и афтершоков служат нерав­ новесные трещины, меньшие по масштабу, чем трещины главного разрушения.

Так как большая часть объема разгружающейся породы может рассматриваться как зона разрушения, на что уходит значитель­ ная часть полной энергии е, то коэффициент излучения сейсми­ ческих волн (сейсмический к.п.д.) определяется из соотношения энергий [33]

Л = бс/ео « [АаДстсж “ сг*)2] * 10 6 - 10 2,

где Аст - уменьшение напряжений при разгрузке массива, оцени­ вается через амплитуду сейсмических волн при выходе их из

зоны диссипации в упругую зону; а* - остаточная прочность массива.

Для землетрясений, как и для взрыва, сейсмический к.п.д. rj составляет 0,01. Для горных ударов сейсмический к.п.д. имеет еще меньший порядок: г| « 10"4ч-10"3

Предлагаемое данной оценкой увеличение полной энергии землетрясения на два порядка по сравнению с энергией сейсми­ ческих волн соответствует представлению об интенсивной дис­ сипации механической энергии (как и при подземном взрыве [27]) главным образом за счет создания множества трещин, рас­ пределенных по объему, и сухого трения между их бортами. Об­ ласть такого объемного разрушения возникает впереди магист­ ральной трещины (разлома) в силу концентрации напряжений как на этапе подготовки землетрясения, т.е. перед неравновесным ростом разлома, так и в моменты его остановки. Подобная об­ ласть неупругих деформаций может перемещаться вместе с вер­ шиной трещины на этапах ее установившегося роста, оставляя за собой след из разрушенного материала. Этот след под действием тектонических сил будет сжиматься в узкую полосу вблизи бор­ тов разлома.

Таким образом, почти вся энергия, высвобождаемая при зем­ летрясении, расходуется на создание зоны дробленой породы вдоль разлома (так называемой гаук-зоны). Эти зоны иногда на­ блюдаются не при всех режимах роста разлома.

В тех случаях, когда удается выделить геологическими мето­ дами или при помощи глубинного сейсмозондирования блочную структуру сейсмоактивных зон, оказывается [18, 27, 33], что оча­ ги землетрясений приурочены к разломам, но находятся пре­ имущественно в блоке с более высокими сейсмоскоростями (ме­ нее трещиноватом, более плотном). Для таких ситуаций (напри­ мер, для разлома Сан-Андреас) может больше подходить модель скольжения вдоль имеющегося разлома. Если давления в массиве весьма велики, то вполне вероятно так называемое прерывистое скольжение с разрушением в бортах. Поэтому очаги сдвигаются от плоскости разлома внутрь блока. Разрушаемый материал бор­ тов (с добавками привносимых веществ) образует в разломе дробленый прослой (gouge zone).

Дилатансионные зоны могут появляться не только в вершине трещины, но и в бортах готового разлома, если вдоль последнего происходит прерывистое скольжение. Согласно представлениям [27, 33] прерывистое скольжение есть попеременное разрушение борта (на этапах роста усилия) и неустановившийся сдвиг вдоль разлома (на этапах сброса усилия). Подобная ситуация возмож­ на, если прочность борта близка к сопротивлению скольжения с

суадм трением. Эта точка зрения по существу согласуется с представлениями, что прерывистое скольжение обусловлено ше­ роховатостью (обдиранием неровностей) вдоль бортов [18, 27, 33). В результате разлом самопроизвольно генерирует дробленый прошлой и, в основном, два типа волн - поперечные и продоль­ ные, Соответственно возникают дополнительные нормальные и картельные напряжения, вызванные распространением волн.

Оценка процесса разрыва сплошности массива по энергетиче­ ским показателям основывается на предположении: полная энер­ гии £с, затрачиваемая на образование сейсмических волн, про­ порциональна полной энергии е, идущей на разгрузку некоторой предварительно напряженной области массива [25, 33]. Тогда ли­ нейный размер области разгрузки пород JRC, нагруженных ранее до значений, равных пределу прочности стсж, равен

К а (ecG / 0 1/2,

где G - модуль сдвига горной породы.

По 12-бальной международной шкале сейсмичности (MKS64) землетрясения силой 1-2 балла фиксируется только прибо­ рами (сотрясения в 2 балла эквивалентно взрыву 4-5 тонн тро­ тила на глубине 10 км), 3 балла - ощущается немногими людь­ ми, 4 балла - отмечается многими людьми, возможно дребезжа­ ние стекол как от близко проезжающего трамвая, 5 баллов - ка­ чание висячих предметов, мебели, многие спящие просыпаются, 6 баллов - легкие повреждения в зданиях, тонкие трещины в штукатурке, 7 баллов - трещины в штукатурке, откалывание от­ дельных кусков, тонкие трещины в стенах, 8 баллов - большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб, 9 баллов - в некоторых зданиях обрушиваются стены, перекрытия, кровли.

Сводка характерных значений основных энергетических пока­ зателей при землетрясениях разных магнитуд и энергий приве­ дена в табл. 4.4.1. (по данным В.Н. Николаевского [27, 33]).

Из данных табл. 4.4.1 следует, что размер области разгрузки массива при магнитуде менее 5, характерной для техногенных землетрясений, не превышает 100 м, т.е. участок неустойчивого роста трещины в результате сдвига по разлому не должен превы­ сить 100 м. Учитывая, что размер первичной трещины, предше­ ствующей ее неустойчивому росту, обычно составляет 0,1 от ее конечной длины [18, 33], получаем размер исходной трещины в пределах 10 м. Такая трещина вполне может быть созда­ на в разломе или нарушении типа нормального сброса или над­ вига при нагнетании жидкости через батарею нагнетательных скважин.

	Показатель	Землетрясение
		Умеренно	Силь­	Катастро­
		сильное	ное	фическое
	Магнитуда М, баллы	5	7	9
	Полная энергия, идущая на образование	1012	1015	10'8
	сейсмических волн Ес, Дж		1	10
	Линейный размер области разгрузки	0,1
	Rc, км	10“	10"	Ю20
	Полная энергия, идущая на разгрузку масси­
	ва е, Дж

Полная энергия есж волн, вычисляемая по сеймическим запи­ сям вне гипоцентральной области землетрясения (на расстоянии 100 км от очага), где потери энергии на диссипацию незначи­ тельны, связана с магнитудой М землетрясения формулой Гутен­ берга-Рихтера

аМ = lg(ec/e0),

где а - коэффициент, равный 1,5; ео - энергия эталонного земле­ трясения (е0= 2,5Ю4 Дж).

Любое сейсмическое событие, происходящее в недрах, предва­ ряют и сопровождают деформации горного массива. Интенсив­ ность их проявлений напрямую зависит от очага и магнитуды события. В научно-технической литературе имеются многочис­ ленные оценки этих параметров [18, 25, 28], однако прежде всего теоретического характера и применительно к природным земле­ трясениям. Относительно деформационных характеристик техно­ генных сейсмических явлений имеются всего лишь отрывочные сведения. Приведем их краткий литературный обзор.

Многочисленные численные и аналитические расчеты, выпол­ ненные для оценки сейсмической энергии, выделяющейся при возникновении техногенных землетрясений при отработке газо­ вого месторождения Лак (Франция), которое оказалось наиболее изученным в аспекте сейсмических явлений, позволили сделать следующие выводы [24, с. 276].

Радиусы действия R возникающих сейсмических источников различны. Средние значения R над газовой залежью в известня­ ках и мергелях составляют около 80 м и резко уменьшаются (до 40 м) в самой залежи и ниже ее. Наиболее крупные источники приурочены к породам над залежью.

Дислокации (относительные смещения под действием попе­ речных сдвигов, в процессе возникновения которых, по мнению

авторов, возникают микроземлетрясения) в среднем составляют 2,5 мм для пород, перекрывающих залежь, тогда как максималь­ ные их значения, характерные для наиболее хрупких известняков покрышки, достигают 6 мм. Средние значения дислокаций для пород коллектора составляют 5 мм. Столь малая амплитуда сме­ щений объясняет факт отсутствия осложнений в скважинах (сдвиг, срез и т.д.) и гарантирует от возможных разрушений в будущем.

В то же время некоторые расчеты указывают, что возможны более значительные величины дислокаций. Геомеханическое мо­ делирование НДС массива на месторождениях Элефельд и Бергемир [50] показывает, что изменение напряженного состояния при добыче газа способно вызвать нарушение природного равно­ весия на контактах существующих разломных структур. Сниже­ ние пластового давления вызывает рост эффективных верти­ кальных и горизонтальных напряжений в коллекторе, однако прирост вертикальных напряжений больше, чем горизонтальных. Это приводит к росту касательных напряжений в плоскости на­ рушения, которые могут превысить предел прочности. По расче­ там максимальная величина пластического сдвига по субверти­ кальному нарушению на месторождении Бергемир (при угле внутреннего трения 25°) составила 7,8 см. Также была рассмот­ рена возможность снижения прочности пород по нарушению вследствие подъема газоводяного контакта. При снижении угла внутреннего трения с 25 до 22° величина пластического сдвига составила 9,1 см.

Многочисленные результаты инструментальных измерений деформаций земной коры (прежде всего, результаты высокоточ­ ного нивелирования) в сейсмоактивных регионах мира свиде­ тельствуют о явлении в ряде случаев подъема земной поверхно­ сти перед землетрясением [25, 28]. Наиболее представительно это описано в монографии К. Моги [25]. Отмечались подъемы зем­ ной поверхности перед сильными землетрясениями (М = 7ч-8) порядка 8-10 см и последующие их быстрые опускания. Оценки показывают [33], что такие подъемы также соответствуют дилатансионным изменениям объема готовящегося к разрушению ма­ териала. Шольц [33] указал, что обратная осадка свободной по­ верхности после землетрясения имеет скорость, характерную для теории консолидации насыщенных сред (х * Ю4 см2/с), и не мо­ жет быть объяснена ползучестью горных пород. Интервал значе­ ний Ю3 < х ^ Ю4 отмечался и в обзоре Рудницки, представлен­ ном в книге Райса [33].

Имеющееся мнение о том, что предельная величина деформа­ ций, которую может накопить земная кора перед землетрясе-

10*

291