Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1
.pdfОбщий геомеханический анализ поведения ослабленных зон под воздействием добычи нефти выполнялся в следующей постанов ке. Предполагалось, что в массиве развита мощная субвертикаль ная зона ослабленных пород на всю мощность разреза. Одна та кая зона помещена на участок плоского дна, а другая - в крае вую часть мульды сдвижения, чтобы оценить поведение ослаб ленных зон в различных условиях. Поскольку ширина ослаблен ных зон является крайне неопределенным параметром, конечно элементная сетка была построена таким образом, что в расчетах имелась возможность варьировать мощность нарушения от 50 до 500 м. Также в расчетную схему была включена зона ослаблен ных пород, которая развита не на всю мощность разреза, а толь ко в верхней его части у земной поверхности. С наличием такой зоны ослабления можно связать появление известного провала земной поверхности в районе дер. Зырянка. Участок ослаблен ных пород помещен в краевую часть мульды сдвижения на том интервале, где наблюдаются наибольшие деформации растяже ния земной поверхности. Ширину и глубину зоны нарушенных пород можно менять от 20 до 100 м с интервалом 20 м. Такая постановка задачи, несмотря на ее условность, позволяет оценить порядок деформаций, возникающих на земной поверхности и в водозащитной толще при наиболее неблагоприятных условиях, т.е. при наличии мощной сквозной зоны ослабленных пород (ре гиональной зоны сдвиговых дислокаций).
Физико-механические свойства пород верхней части разреза были взяты из Методических рекомендаций [25] (табл. 3.6.3). В соответствии с Методическими рекомендациями [25] участки аномального строения (флексурные складки, листрические сбро сы, сдвиговые дислокации и т.д.) в геомеханическом плане долж ны рассматриваться как зоны пониженной жесткости, отличаю щиеся от остальной части массива своими свойствами.
В то же время степень уменьшения упругих и прочностных свойств пород в аномальных зонах является весьма неопределен ным параметром и никак не регламентируется. Можно лишь предположить, что прочность пород в аномальных зонах зависит
Таблица 3.63
Физико-механические свойства горных пород ВКМКС
Порода |
Е, МПа |
V |
у, МН/м3 |
Мергели |
600 |
0,3 |
0,022 |
Каменная соль |
1500 |
0,3 |
0,022 |
Карналлиты |
500 |
0,4 |
0,020 |
Сильвинит |
800 |
0,2 |
0,021 |
вопределенной степени от свойств ненарушенной породы. По этому модуль упругости пород в нарушенных зонах определялся
взависимости от модуля упругости пород соответствующего слоя по соотношению Е' = Eok, где Е', Е0 - модуль упругости со ответственно нарушенных и ненарушенных пород; k - коэффи циент ослабления. Коэффициент ослабления в расчетах варьиро вался от 0,8 до 0,2.
Расчеты показывают, что зона ослабления не вносит сущест венных изменений в распределение деформаций в мульде сдви жения на уровне продуктивной соляной толщи. До и после на рушения мульда сдвижения сохраняет плавный характер, а сами оседания изменяются на 1-3 мм, т.е. весьма незначительно. Зона ослабления на участке плоского дна мульды сдвижения практи
чески не влияет на распределение деформаций. Некоторая кон центрация деформаций наблюдается непосредственно в зоне на рушения в краевой части мульды сдвижения, где на контакте нарушенных и ненарушенных пород происходит скачкообразный рост оседаний (рис. 3.6.15). Именно скачок оседаний в принципе может представлять некоторую опасность в плане сохранности водозащитной толщи. Как показывают проведенные исследова ния, величина скачка оседаний определяется прежде всего мощ ностью и физико-механическими свойствами ослабленных пород. Следует отметить, что при коэффициенте уменьшения упругих свойств пород нарушения 0,6 и выше скачок оседаний не превы шает 2,5 мм, т.е. весьма незначителен. При более слабых породах
Рис. 3.6.16. Горизонтальные деформации земной поверхности в зоне ослабле
ния:
/ - га = 20 м; II - га = 40 м; III - га = 60 м; IV - га = 80 м
нарушения скачок оседаний начинает возрастать и в выполнен ных расчетах достигает 4,5 мм при коэффициенте ослабления 0,2 и мощности нарушения 100 м. Коэффициент ослабления 0,2 оз начает, что модуль упругости нарушенных пород в верхней части разреза должен составлять от 100 до 300 МПа. Т.е. сколько нибудь заметные концентрации деформаций могут возникать на контакте с узкими, линейно вытянутыми зонами ослабления, за полненными сильно дислоцированными несвязными породами.
Также расчеты показали, что глубина приповерхностной зоны ослабленных пород т очень слабо влияет на деформации земной поверхности, возникающие при отработке нефтяного месторож дения (рис. 3.6.16). Очевидно, это связано с большой глубиной залегания нефтяного коллектора - 2000 м. Влияние других фак торов (мощность зоны ослабленных пород т и коэффициент ос лабления k) сходно со сквозной зоной ослабления. Деформации земной поверхности увеличиваются при уменьшении мощности зоны ослабленных пород и коэффициента ослабления упругих свойств k. При этом следует отметить, что абсолютные величины деформаций крайне незначительны. Горизонтальные деформации земной поверхности, возникающие при отработке нефтяного ме сторождения в породах ненарушенной структуры (k = 1,0), со ставили 0,01 мм/м. При самых неблагоприятных условиях (мощ ность зоны ослабленных пород т = 20 м и коэффициент ослаб ления упругих свойств k = 0,1 горизонтальные деформации уве личиваются до 0,045 мм/м.
В целом расчеты данного раздела показывают, что некоторую опасность могут представлять узкие (мощностью до 50-100 м), линейно вытянутые зоны ослабления, заполненные сильно дис лоцированными, полностью разрушенными породами. Таких яв
но выраженных сквозных ослабленных зон в настоящее время н£ Верхнекамском месторождении не выявлено. Следует отме тить, что если будет обнаружена подобная зона ослабления, то отработка калийных солей в данном районе сама по себе стано вится проблематичной.
Как известно, листрические разрывные дислокации характе ризуются локальным распространением по площади и прерыви стым по разрезу, не являясь сквозными структурами. Выполне ние подобных расчетов требует задания множества параметров, которые являются весьма неопределенными. Кроме физико механических свойств поверхности ослабления необходимо задавать размеры, форму и пространственное положение плоско сти разрыва. В условиях подобной неопределенности обычным приемом является задание наиболее неблагоприятного сочетания вводящих параметров для создания определенного запаса надежности. В нашем случае это означает, что необходимо рас смотреть крупный листрический разрыв, расположенный в крае вой зоне мульды сдвижения от добычи нефти на участке наи больших деформаций. Плоскость разрыва поместим по углом 6 = п/А - ф/2 » 30° к направлению главного сжимающего напряжения.
Общая расчетная схема задачи показана на рис. 3.6.17. Конеч но-элементная схема воспроизводит участок массива размером
|
I |
С |
1 |
|
1 |
Соляно-мергельная толща |
|||
1 |
||||
|
|
|
||
! |
|
|
|
|
—*! |
Каменная соль |
|
|
|
1 |
|
|
||
1 |
|
|
|
|
1 |
|
\ |
Листрический |
|
! |
Сильвинит-карналли-ч |
разрыв |
||
товая зона |
|
' |
||
! |
Снльвннитовая зона |
\ |
||
! |
||||
1 |
|
|
V |
|
1 |
|
|
|
|
1 |
Каменная соль |
|
|
|
| |
|
|
||
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
-н |
|
г |
-U |
г
1
1
1
1
h
1
1
'^ 1 1
Ц- 1
1
1
,,i 1 1
к
1
1
1
1
г—
1 1 I I ____
Рис. 3.6.17. Схема расчета НДС в районе листрического разрыва
310 м по ширине и 300 м по высоте с соответствующими слоями пород. Предполагалось, что листрический разрыв распространен в сильвинитовой зоне и ВЗТ1, т.е. на участке 80 м по высоте. Непосредственно разрыв моделируется контакт-элементами, для которых задана сдвиговая жесткость 3,0 ГПа/м (см. табл. 3.6.2, минимальное значение). В качестве задаваемых нагрузок исполь зовались перемещения, полученные при расчете оседаний горно го массива при добыче нефти (см. рис. 3.6.17). Перемещения для вырезанного фрагмента определялись на участке наибольших деформаций сдвига.
Решение выполнялось в два этапа, т.е. на первом этапе зада ются перемещения, полученные при расчете НДС нетронутого горного массива, а на втором этапе - перемещения после отра ботки нефтяного месторождения. В результате расчета были по лучены небольшие сдвиги в плоскости нарушения без раскрытия бортов разрыва, т.е. растягивающих напряжений в плоскости раз рыва не возникло. Величины сдвигов крайне незначительны и колеблются от 0,0010 до 0,0017 мм. Столь малые величины сдви жений очевидно связаны с тем, что деформации горного массива вследствие добычи нефти сами по себе невелики, а также с тем, что листрический разрыв - это локальная структура, размеры которой малы по сравнению с глубиной залегания нефтяного коллектора. Увеличение касательных перемещений можно ожи дать в том случае, если уменьшать жесткость контакта. В качестве эксперимента был выполнен соответствующий расчет с уменьшенной в 10 раз жесткостью контакт-элемента. В результа те касательные перемещения в плоскости разрыва увеличились в 5-7 раз, но даже в этом случае они на два порядка меньше пре дельных величин для контактов в соляных породах (см. табл. 3.2 [25]). Это говорит о том, что отработка нефтяного месторожде ния в районе ВКМКС практически никак не сказывается на со стоянии водозащитной толщи при наличии аномальной особен ности вида листрического разрыва.
Рассмотрим строение водозащитной толщи, осложненной от крытой секущей трещиной в ВЗТ2. При наличии открытых тре щин потенциальная опасность заключается в возможности их роста при техногенном воздействии на массив. Для оценки воз можности роста трещины согласно Методическим рекомендаци ям [25] должен быть определен уровень горизонтальных, верти кальных и сдвиговых деформаций на потенциально опасном уча стке ВЗТ.
Рассмотрим горнотехническую ситуацию с наличием сквозной зоны ослабления (региональной зоны сдвиговых дислокаций) мощностью 100 м в краевой части мульды сдвижения от добычи
нефти. Коэффициент уменьшения упругих свойств пород k зада дим равным 0,5. В результате расчета НДС массива получили следующие деформации пород вблизи ослабленной зоны на уровне водозащитной толщи в краевой части мульды сдвижения: гх = —0,0010; е 2 = —0,0032; = -0,00014. Предположим, что в данной зоне находится крупная тектоническая трещина, пересе кающая нижнюю границу ВЗТ2. Оценим возможность роста та кой трещины, используя энергетический критерий механики раз рушения согласно Методическим рекомендациям [25]. Эффек тивную длину трещины примем равной Юм.
Наиболее вероятное направление роста трещины относитель но вертикали будет определяться углом © = ± ее + ф, где ср = 0,5 arctg [у^Де*- е2)] = 1,8°; а = 0,5 arctg [1/(0,2К)] = 40° (коэффициент К при длине трещины Юм равен 0,89).
Таким образом, наиболее опасное направление роста трещины будет определяться углом © * 40°. Деформации в системе коор динат, совпадающей с направлением роста трещины, составят:
бл = e*cos2 © + б2 sin2 © + y^ sin © cos © = -0,00191;
E S = гх sin2 © + е2 cos2© - sin © cos © = -0,00229;
Jsn = y^cos 2® + (б2- Бд) sin 2© = -0,00217;
ym = 0,7бп+ 0,3е*= -0,00202.
Так как б„ + 0,43б5 < 0, то расчетное значение скорости вы свобождения энергии можно найти следующим образом:
G - ^ ( I v J - K l у; |)2 = 148 Пам.
Критическое значение скорости высвобождения энергии со гласно Методическим рекомендациям [25] составляет 1000 Па-м. Поскольку расчетное значение скорости высвобождения энергии меньше критического значения, то трещина в данных условиях расти не будет.
На рис. 3.6.18 представлена зависимость скорости высвобож дения энергии от наиболее неопределенного параметра - эффек тивной длины трещины /. Зависимость была построена для зна чений /о т 10 до 30 м, так как необходимые расчетные коэффи циенты приведены в Методических рекомендациях [25] именно для этого диапазона. Следует отметить, что наиболее крупная из известных в настоящее время трещин имеет общую прослежен ную длину около 13 м, т.е. вдвое меньше, чем рассмотренный интервал значений /. Как показали расчеты, скорость высвобож дения энергии во всех рассмотренных случаях не достигает кри тического значения 1000 Па-м.
Рис. 3.6.18. Зависимость скорости высвобождения энергии G от длины трещи
ны /
Следует особо подчеркнуть, что даже в таких искусственно заданных неблагоприятных условиях (узкая сквозная ослаблен ная зона, слабые породы, трещина длиной 30 м) техногенное воздействие на массив от разработки нефтяного месторождения не приводит к росту открытых секущих трещин в ВЗТ2.
3.7.ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ МАССИВОВ
ИЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
УРЕНГОЙСКОГО И АСТРАХАНСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Как известно, месторождения природного газа и газоконден сата отрабатываются без поддержания пластового давления, что согласно всем геомеханическим представлениям о деформирова нии продуктивных объектов, должно приводить к повышенным оседаниям земной поверхности. Практика разработки газокон денсатных месторождений дает действительно значительные ве личины оседаний, как например, Шебелинское газовое месторо ждение, или весьма незначительные, но сопровождающиеся тех ногенными сейсмическими явлениями (газовое месторождение Лак). Рассмотрим особенности расчетов параметров деформиро вания горного массива при отработке двух характерных газокон денсатных месторождений - Уренгойского и Астраханского.
Уренгойское нефтегазоконденсатное месторождение
Крупнейшие нефтегазоконденсатные месторождения России - Уренгойское, Медвежье, Губкинское, Ямбургское, Вынгапуровское и другие открыты в Надым-Пуровской газонефтеносной области, занимающей центральную часть Северной тектониче-
ск0й Западно-Сибирской плиты [28, 34]. Основные запасы со средоточены в сеноманских залежах, которые имеют сходное гео логическое строение, условия осадконакопления, образования, за^егания и промыслово-геологические характеристики продук тивных толщ. Они приурочены к верхней части песчаноал^вролитовых отложений покурской свиты сеномана и перекрыты толщей турон-палеоценовых глин мощностью 500-700 м.
Уренгойское месторождение относится к крупному НадымПуровскому мегавалу, осложненному поднятиями II и III поряд ков Сеноманская газовая залежь находится на глубине Ю40-1230 м. Максимальная эффективная газонасыщенная тол щина ее в пределах Уренгойской площади достигает 198 м. На месторождении газоносны сеноманские, неокомские и ачимовск^е отложения. Коллекторами являются песчаники. Продуктив нее отложения на 40-85 % сложены проницаемыми породами, отличаются сильной изменчивостью литологического состава, слсистой неоднородностью, прерывистостью, расчлененностью ка£ по площади, так и по разрезу.
Газоводяной контакт сеноманской залежи наклонен с запада на восток. Начальное пластовое давление 12,25 МПа, начальная пластовая температура 34-36 °С. Средневзвешенное значение открытой пористости составляет 27 %. Проницаемость варьирует от 0,003 до 5,6 мкм2. Дебиты достигали 6,5—7,9 млн м3/сут. Глу бина залегания неокомских отложений колеблется от 2610 до 3150 м. Эффективная газонасыщенная толщина отдельных пла стов достигает 80 м. Пористость изменяется от 9 до 16 %, прони цаемость от 0,001 до 0,05 мкм2. Ачимовские отложения залегают на глубине 3560-3800 м и характеризуются наличием АВПД с коэффициентом аномальности 1,7. Газонасыщенные толщины пластов изменяются от 13,5 до 27 м, пористость 16,5 %, прони цаемость 0,037 мкм2
Добыча газа привела к образованию обширной области пони женного пластового давления. Депрессионные воронки Уренгой ской, Ен-Яхинско-Песцовой и Северо-Уренгойской газовых за лежей слились между собой, образовав единую депрессионную воронку, длина которой превышает 230 км, максимальная шири на составляет 64-68 км, глубина - до 1850 м (на 600-650 м ниже начального ГВК). Падение давления в центральной части залежи достигло 5-7 МПа.
В развитие деформационных процессов при добыче газа ос новной вклад вносит сеноманская залежь. В то же время физико механические свойства сеноманских коллекторов практически неизвестны, так как такие параметры, как модуль упругости, ко эффициент Пуассона, сцепление, угол внутреннего трения просто
не определялись. Косвенные признаки указывают на то, что уп ругие и прочностные свойства песчаных пород весьма низкие, так как даже незначительная депрессия часто приводит к раз рушению призабойной зоны [29, 30]. Если взять за аналог свой ства слабосвязных горных пород, то можно предположить, что модуль упругости пород Сеномана составляет 1000-2000 МПа, сцепление находится в пределах 0,05-0,1 МПа, угол внутреннего трения 15-20°.
Исследования упругих, прочностных и компрессионных свойств неокомских и ачимовских пластов месторождения вы полнялись в институте «ТюменНИИгипрогаз». Они показали, что существует явно выраженная зависимость упругих свойств от давления (для ачимовских пластов при увеличении эффек тивного давления от 10 до 20 МПа исходный модуль упругости увеличивается в 1,5-2 раза). Параметр упрочнения исследован ных образцов составил 1300-1700.
Для условий Уренгойского месторождения свойства вмещаю щих пород не оказывают существенного влияния на оседания земной поверхности. Поэтому при составлении расчетных схем рассматривались только основные, укрупненные элементы геоло гического разреза. В верхней части разреза выделяется слой мно голетнемерзлых пород мощностью «200 м (Е =* 4000 МПа, v = 0,3), далее находится слой преимущественно глинистых по род мощностью «150-200 м (Е = 1000 МПа, v = 0,3), затем слой преимущественно песчаных отложений мощностью «300-200 м (Е = 1500 МПа, v = 0,3), и снова слой преимущественно глини стых пород мощностью «550 м. В нижней части залегает слои стая толща в виде чередования песков, глин, аргиллитов, алевро литов, песчаников мощностью 200 м (Е - 3000 МПа, v = 0,3).
Основное внимание уделялось обоснованию упругих свойств коллекторов с использованием результатов нивелирования на Уренгойском геодинамическом полигоне. Отметим, что на место рождении в 1974-1976 гг. был создан геодинамический полигон, представляющий собой нивелирную сеть 2 класса общей протя женностью около 900 км. Сеть состояла из 11 поперечных про филей, средняя протяженность которых 55 км, и одной продоль ной профильной линии, проходящей через сводовую часть ме сторождения. Всего на полигоне использовано 10 типов центров, среднее расстояние между реперами по меридиональной линии 1,6 км. В поперечниках закладка реперов проведена попарно че рез 1,7-9,1 км. К началу наблюдений первого цикла число опор ных и рабочих реперов на объекте составило 568. С 1975 по 2003 г. на месторождении было выполнено четыре серии наблю дений, наиболее полные из них первые три, характеризующие
процессы сдвижения земной поверхности на месторождении на промысле за 20 лет. Поэтому в настоящей работе для расчета параметров процесса сдвижения использованы данные именно за этот период наблюдений.
Для сравнения расчетных и замеренных оседаний были по строены расчетные схемы по разрезам вдоль 2, 5, 6 и 8 профиль ных линий полигона (выбор профилей определялся качеством нивелирования). Разрезы продуктивных объектов по данным профилям строились по картам эффективных газонасыщенных толщин, а величины действующих нагрузок в результате отбора газа определялись по картам изобар. Расчеты оседаний земной поверхности выполнялись по состоянию пластового давления в залежах на 1985 и 1995 гг. и сравнивались с результатами ниве лирования в соответствующий период. Целью расчетов было оп ределение упругих свойств коллекторов, обеспечивающих сходи мость расчетных и замеренных оседаний.
В результате серии расчетов было установлено, что удовле творительное соответствие расчетных и экспериментальных дан ных достигается при начальном модуле упругости сеноманских отложений «2500 МПа и неокомских отложений «5000 МПа (па раметр % = 1500). При этом учитывался рост начального модуля упругости при падении пластового давления (принималось, что при росте эффективного давления на 10 МПа модуль упругости увеличивается в 1,5 раза). Как показано на рис. 3.7.1, при данных параметрах модели наблюдается удовлетворительное совпадение расчетных и замеренных оседаний по всем рассмотренным про фильным линиям. Имеющиеся несоответствия расчетных и экс-
Рис. 3.7.1. Расчетные и замеренные оседания по профильным линиям Уренгой ского полигона:
I - данные нивелирования 1995 г.; II - расчет МКЭ