Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1
.pdfТаблица 3.5.1
Физико-механические свойства пород
Тип пород |
Мощность |
Модуль |
Коэффициент |
Объемный |
||||
упругости, |
|
вес, |
||||||
|
слоя, м |
Пуассона |
|
|||||
|
|
|
|
МПа |
|
МН/м3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Песчаная толща |
|
70 |
|
100 |
0,40 |
|
0,019 |
|
Глинистая толща |
|
1050 |
|
500 |
0,30 |
|
0,020 |
|
Переслаивание |
глин, |
|
1980 |
|
750 |
0,30 |
|
0,022 |
аргиллитов, алевроли |
|
|
|
|
|
|
|
|
тов, песчаников |
|
|
|
|
|
|
|
|
Коллектор БС10 |
|
6 |
|
1000 |
0,26 |
|
0,020 |
|
Доюрский фундамент |
|
900 |
|
5000 |
0,25 |
|
0,028 |
|
Падение |
исходного |
пластового |
давления задавалось |
равным |
3 МПа, так как на Западно-Сибирских месторождениях большее падение давления встречается редко. Параметр упрочнения кол лектора х = 300. Деформации вмещающих пород считались упругими.
Первоначально элементам геологического разреза задавались некоторые «базовые» значения физико-механических свойств, взятые из справочной литературы (табл. 3.5.1).
Поле перемещений горного массива при «базовых» значениях физико-механических свойств показано на рис. 3.5.2.
Далее для изучения влияния различных факторов на пара метры процесса сдвижения проводились расчеты оседаний с ва риацией модуля упругости коллектора, модуля упругости вме щающих пород и параметра упрочнения %• Модуль упругости
коллектора варьировался от 500 до 20000 МПа, |
модуль упруго |
||||||||
сти вмещающих пород (см. рис. 3.5.1, 3) |
- от 500 до 5000 МПа, |
||||||||
^ |
^ |
Ч_ Ч _ |
|
|
- Л |
n |
i l |
i |
|
|
|
,, 24 мм |
|||||||
|
|
|
|
||||||
ч |
ч |
4 |
V |
\ |
\ |
\ |
м м |
■т |
|
|
|||||||||
|
|
|
|||||||
Ч----г |
' |
у |
\ |
\ |
\ |
м м |
|
||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
ч |
ч |
' |
у |
\ |
\ |
\ |
1 М |
1 |
|
|
|
||||||||
Ч -------------Г " '—*—г г тI |
I 1 |
I |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
1-1- ь-тМ♦ |
Рис. 3.5.2. Вектора сдвижений горного массива при отработке пласта ВСЮ Усть-Балыкского месторождения при падении давления на 3 МПа
параметр х - от 50 до 1500. Результаты численного эксперимента представлены в виде зависимости максимального оседания зем ной поверхности от перечисленных факторов на рис. 3.5.3. Расче ты подтверждают, что величины оседаний в данном случае зави сят прежде всего от модуля упругости коллектора, причем это влияние наиболее выражено в интервале до 5000 МПа. Затем происходит стабилизация оседаний, и дальнейшее увеличение модуля упругости на их величине уже практически не сказывает ся (см. рис. 3.5.3, а).
а
Модуль упругости коллектора, М Па
0 |
1000 |
2000 |
3000 |
4000 |
5000 |
Модуль упругости вмещающих пород, М Па
Рис. 3.5.3. Влияние параметра упрочнения коллектора (а) и модуля упругости вмещающих пород (о) на оседания земной поверхности при отработке пласта
ВСЮ Усть-Балыкского месторождения:
O' I - X- 300, II —Y = 1500, III |
- X= 50; б: I - Е = 2500 МПа, II - Е = 5000 |
МПа, III - Е - |
7500 МПа, IV - Е = 1000 МПа |
Также подтверждается, что модуль упругости вмещающих по род слабо влияет на оседания земной поверхности во всем диа пазоне рассмотренных величин (500 до 5000 МПа) и в различ ных комбинациях с модулем упругости коллектора (см. рис. 3.5.3, б). Некоторое увеличение оседаний происходит лишь при модуле упругости вмещающих пород менее 500 МПа, т.е. при весьма слабых вмещающих породах. Таким образом, оседания, в конечном, счете, определяются величиной уплотнения коллекто ра, которая при прочих равных условиях зависит от его упругих и компрессионных параметров.
Как и следовало ожидать, при уменьшении параметра % осе дания увеличиваются (см. рис. 3.5.3, а). В рассмотренном приме ре выраженный рост оседаний начинается при х < 100. Однако при значениях %, характерных для месторождений Западной Си бири (х > 200), зависимость оседаний от параметра упрочнения весьма слабая, что является следствием сравнительно низких компрессионных свойств.
Таким образом, для рассмотренных типичных условий можно ориентироваться на табличные значения физико-механических свойств вмещающих пород, так как они не оказывают сущест венного влияния на результаты прогноза. Это же относится к характерным значениям параметра упрочнения х• Основное вни мание следует уделять обоснованию упругих свойств коллекто ров, как описано в разделе 1.3.
Расчеты оседаний земной поверхности при условии падения пластового давления на 3-5 МПа были выполнены для целого ряда нефтяных месторождений Западной Сибири, краткие сведе ния о некоторых из них приведены в табл. 3.5.2.
Таблица 3.5.2
Результаты прогноза оседаний для ряда нефтяных месторождений
Месторождение |
Продуктивные объекты |
Суммарная |
Максимальное |
|
|
мощность, м |
оседание, мм |
Усть-Балыкское |
БС1-5, БС10 |
35 |
122 |
Мамонтовское |
АС4-6, БС8, БС10-11 |
33 |
124 |
Правдинское |
БС5-6, БС8-9 |
20 |
40 |
Приобское |
АС10-АС12 |
45 |
360 |
Западно-Сургутское |
БС1-4, БС10 |
25 |
89 |
Восточно-Сургутское |
БС10, ЮС1-1, ЮС2-2 |
23 |
45 |
Родниковое |
БС12 |
10 |
36 |
Чумпасское |
АВ1, БВ6, БВ18-22 |
31 |
124 |
Ватинское |
АВ1-2, БВ8, ЮВ1 |
24 |
82 |
Расчетные оседания получены для падения исходного пласто вого давления 3-5 МПа, что в среднем характерно для месторо ждений Западной Сибири. На отдельных участках может встре чаться и большее падение давления, но оно, как правило, дейст вует непродолжительное время, поскольку месторождения разра батываются с поддержанием пластового давления. Величины осе даний зависят от мощности продуктивных слоев, а также от глубины их залегания, так как от глубины зависит модуль упру гости коллектора. В целом расчетные оседания поверхности весьма невелики - до 360 мм. Оседания подобной величины, распределенные на огромной площади месторождений, не могут оказать заметного влияния на состояние промышленных и граж данских сооружений и объектов инфраструктуры нефтепромы слов. В то же время полученные величины оседаний характери зуют средние, типичные условия отработки (средние компресси онные свойства, типичное падение давления и т.д.). Естественно, что в реальных условиях возможны некоторые колебания этих параметров в определенных пределах. Поэтому была выполнена оценка возможных колебаний наиболее важных факторов на па раметры процесса сдвижения.
Оседания земной поверхности увеличиваются с ростом паде ния пластового давления. Хотя для систем разработки с заводне нием большое падение давления не характерно, на примере УстьБалыкского месторождения было рассмотрено снижение давле ния в коллекторах БС1-5 и БС10 от 2 до 8 МПа. В этом случае происходит рост оседаний от 75 до 220 мм. Из данных расчетов следует, что для предотвращения существенных оседаний земной поверхности не следует допускать значительного снижения на чального пластового давления в разрабатываемых нефтяных пла стах. В этом смысле отработка месторождений системами с под держанием пластового давления является положительным фак тором в плане предотвращения больших оседаний поверхности.
Следующий фактор, который оказывает существенное влия ние на параметры деформирования массива - это упругие и прочностные свойства коллектора. Продуктивный коллектор представлен чаще всего неравномерным распределением упругих и прочностных свойств. Естественно, что деформирование участ ков коллектора с различными свойствами будет происходить по разному, соответственно могут возникать, особенно непосредст венно на уровне коллектора, участки массива с повышенными оседаниями. В мировой литературе известно немало ситуаций, когда значительные просадки горного массива приводили, на пример, к нарушениям нефтяных скважин [26]. Выявить подоб ные участки горного массива довольно затруднительно. Они оп
ределяются либо густой сетью нивелирования поверхностных реперов, либо подробными геомеханическими расчетами дефор мирования коллектора. При этом естественным предполагается знание участков пониженной прочности.
На рис. 3.5.4 представлена идеализированная схема пласта БС1-5 Усть-Балыкского месторождения, на которой выделены участки пониженной прочности шириной 400 м, модуль упруго сти которых составляет 120 МПа. Модуль упругости основного массива составляет 1200 МПа. Такая постановка задачи, несмот ря на ее условность, позволяет оценить влияние неоднородностей строения коллектора на развитие процессов деформирования массива. Выполненные расчеты, как и ожидалось, показывают крайне неравномерные оседания на уровне кровли коллектора (см. рис. 3.5.4). Однако с удалением от коллектора неравномер ность сдвижений быстро затухает. На земной поверхности не равномерность оседаний отсутствует, однако их величина состав ляет 540 мм, т.е. примерно в 3 раза превышает значения, соот ветствующие модулю упругости коллектора 1200 МПа.
Данные расчеты показывают, что наличие слабых, низкомо дульных участков в продуктивном коллекторе приводит к замет ному росту оседаний, но не искажает плавности мульды сдвиже ния на земной поверхности. Искажение плавного характера мульды сдвижения может быть вызвано различного рода струк турными неоднородностями на уровне всего массива горных пород.
Таким образом, при отработке месторождений системами с поддержанием пластового давления максимальные оседания по верхности не превышают 100-150 мм, иногда при большой мощ ности продуктивных объектов - 300-350 мм. Этот вывод под тверждается имеющимся опытом инструментальных наблюдений на Усть-Балыкском геодинамическом полигоне. Опыт изучения влияния процессов сдвижения горных пород на состояние под рабатываемых сооружений свидетельствует о том, что оседания подобной величины, равномерно распределенные на огромной площади месторождений, не могут нарушить нормальной экс плуатации промышленных, гражданских сооружений и объектов инфраструктуры нефтепромыслов [1, 6, 19, 31]. Неоднородность строения продуктивных коллекторов вызывает неравномерную картину оседаний в прилегающем массиве, но не нарушает плав ности мульды сдвижения на земной поверхности. Потенциаль ную опасность могут представлять концентрации деформаций на земной поверхности, вызванные различного рода структурными неоднородностями горного массива, или так называемые суперин тенсивные деформации (В.А. Сидоров, Ю.О. Кузьмин). Этот во-
прос относительно подробно рассматривается в следующих раз делах.
Тем не менее, наличие на месторождениях высотной граждан ской застройки, высокотехнологичного, требующего высокой сте пени промышленной безопасности, оборудования требует органи зации в районе этих объектов инструментальных наблюдений, контролирующих развитие деформационных процессов вследст вие отработки месторождений.
Прогноз оседаний земной поверхности при разработке Памятно-Сасовского месторождения
Месторождения нефти Западной Сибири представлены, как правило, продуктивными объектами площадного типа, отработка которых формирует огромную мульду сдвижения, охватывающую по площади несколько сотен квадратных километров. Рассмот рим развитие оседаний при отработке Памятно-Сасовского ме сторождения, которое представлено сравнительно локальным продуктивным объектом значительной эффективной нефтенасы щенной толщины.
Памятно-Сасовское месторождение находится в 310 км к северу от г. Волгограда в восточной части Жирновского района Волгоградской области. Месторождение открыто в 1990 г., в этом же году начата пробная эксплуатация. Вокруг месторожде ния расположено множество населенных пунктов - села Алешники, Памятное, Верхняя Добринка, Вишневое, Тетеревятка, имеется асфальтированная дорога, которая соединяет месторож дение с г. Жирновск. Прогноз оседаний земной поверхности имел своей целью оценить степень влияния добычи нефти на эти объекты.
В районе месторождения на архей-протерозойском гранитогнейсовом фундаменте залегает толща осадочных отложений об щей мощностью 4400-5000 м в составе девонской, каменноуголь ной, пермской, юрской и меловой систем. В тектоническом от ношении месторождение находится в пределах УметовскоЛиневской депрессии Иловлинско-Медведицкого прогиба. За лежь нефти приурочена к рифогенным отложениям евлановсколивенского горизонта (франский ярус верхнего девона). Ловушка и залежь массивного (рифового) типа. Органогенная постройка представляет собой плосковершинный барьерный риф.
По сейсмическим данным границы рифового массива достаточ но четкие, склоны крутые (от 25 до 65°), вершина сравнительно широкая и плоская (по изогипсе минус 2350 м). Установлено асимметричное строение рифового массива, которое характерц3у-
ется наличием крутого внешнего и более пологого внутреннего склонов, приуроченных к границе смены литофаций: глубоко водных открытого шельфа (юго-восточный склон) и относитель но глубоководных внутреннего шельфа (северо-западный).
Залежь нефти узкая (0,6-1,2 км), протяженная (16,3 км), средняя глубина залегания кровли коллекторов 2688 м, с боль шим этажом нефтеносности (262 м). Средняя нефтенасыщенная толщина 152 м. Средняя пористость 7,4 %, проницаемость 0,11 мкм2. Исходное пластовое давление 28 МПа, пластовая тем пература 78 °С. Покрышкой является известково-мергельно- аргиллитовая толща задонско-елецкого возраста. Толщина по крышки от 20 до 100 м.
Для исследования физико-механических свойств коллекторов был запрошен и получен керн из продуктивной толщи в количе стве 61. Часть этих образцов была направлена на испытания прочностных и упругих характеристик (ГИ УрО РАН), другая часть для выполнения компрессионных испытаний (ООО «ПермНИПИнефть», установка УИК-1). Компрессионные испы тания стандартного образца выполнялись по следующей схеме: образец нагружался эффективным давлением 20 МПа, определя лась его пористость. Далее эффективное давление доводили до 40 МПа и выдерживали образец под нагрузкой в течение 5-7 ч с выполнением замеров в среднем через 2 ч. Один образец из семи был подвергнут более длительному испытанию, время выдержки под нагрузкой составило около 50 ч.
Среднее значение модуля упругости коллекторов ПамятноСасовского месторождения составило около 6300 МПа, коэффи циент Пуассона 0,3. Оценочное значение модуля упругости в массиве составляет «2500 МПа. Значение параметра упрочнения
0
s -50
5-юо
1-150 gэ -200
-250
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Расстояние, км
Рис. 3.5.5. Прогнозные оседания земной поверхности на Памятно-Сасовском месторождении:
1 - Др - 5 МПа; 2 - Др - 7 МПа; 3 - Ар - 10 МПа
Геометрия Памятно-Сасовской залежи позволяет использо вать двухмерную конечно-элементную модель (плоская деформа ция). Однако при этом возникает неопределенность, связанная с неравномерным распределением нефтенасыщенных толщин по площади месторождения. В этой связи было выполнено два ва рианта расчета. В первом случае конечно-элементная модель строилась по разрезу, соответствующему максимальным значени ям нефтенасыщенных толщин. В этом случае максимальные осе дания поверхности при падении давления на 5, 7 и 10 МПа со ставили от 120 до 230 мм, расчетные мульды сдвижения показа ны на рис. 3.5.5.
Памятно-Сасовское месторождение разрабатывается сравни тельно недавно (с 1990 г.) и является весьма перспективным, так как по всей площади месторождения нефтяная залежь имеет зна чительную мощность. В связи с этим для Памятно-Сасовского месторождения был выполнен второй, более подробный вариант расчета.
Для этого была создана трехмерная конечно-элементная мо дель размерами 30x15 км и 5 км по глубине. Коллектор, постро енный по картам эффективных нефтенасыщенных толщин, рас полагается в центре модели (рис. 3.5.6). Распределение осталь ных пород геологического разреза и их физико-механических свойств аналогичны плоской конечно-элементной модели. Также в обоих случаях использована «шатровая» модель коллектора.
Расчетные изолинии оседаний поверхности при падении пла стового давления на 7 МПа показаны на рис. 3.5.6. Мульда сдвижения имеет вытянутую дугообразную форму, что соответ ствует форме коллектора. Максимальные оседания составляют 112 мм против 163 мм в варианте плоской конечно-элементной модели, т.е. меньше в 1,5 раза. Таким образом, в первом варианте расчеты выполнены с некоторым запасом надежности, так как использовались максимальные значения эффективных толщин коллектора.