книги / Нефтегазовое дело. Полный курс
.pdfВ далекие времена на Зем ле сущ ествовал единый суперконтинент. Позже под воздействием внутренних сил суперконтинент разделился на несколько материков. П ервы м основанием для такой идеи послуж и ло наблю даю щ ееся повторение их береговых линий. Если сблизить не которые континенты, то они плотно войдут один в другой. С ерьезны м аргументом в пользу континентального дрейф а является располож е ние палеомагнитных линий. Горные породы сохраняю т ориентировку намагниченности, полученную ими в период перехода из расплава в твердое состояние. Если м атерики сдвинуть так, чтобы они образовали единый континент, то все направления палеомагнитных линий сходят ся в точке магнитного полюса.
Не исключено, что в раннем периоде своей истории (архейском) З ем ля имела разм еры Луны. На ранних стадиях развития Зем ля росла м ед ленно, далее по мере увеличения массы рост ускорился и достиг м акси мальной интенсивности в современную эпоху. Радиус палео-Зем ли, рав ный 4100 км, соответствует радиусу ш ара с поверхностью , площ адь которой равна площ ади современной м атериковой земной коры. Эта величина радиуса соответствует началу образования на Зем ле океанов. Поэтапное становление земной коры представлено на рис. 2.15.
О внутреннем строении Зем ли мы знаем меньш е, чем о внутреннем строении звезд. На основании анализа распространения в Зем ле упру гих волн сделаны следую щ ие заклю чения. Зем ная кора, находящ аяся в кристаллическом состоянии, им еет мощность до 60 км на континентах и до 15 км в океанах. Второй слой (верхняя и ниж няя мантия) простира ется до глубины 3000 км.
А, млн км2
3 I
«
3
о
Рис. 2.15. Непрерывная последовательность образования земной коры (глав ная геологическая закономерность) [17]:
I — участок океанического порообразования; 2 — начало океанического и продолжение материкового формирования коры; 3—становление кон тинентальной коры
От полюса к экватору сила тяж ести ум еньш ается на 1 /190 от д. Если бы Зем ля вращ алась в 17 раз бы стрее, то центробеж ная сила превы си ла бы силу тяготения и Зем ля р азл етелась бы на обломки. В одной и той ж е точке сила тяж ести такж е непостоянна и периодически изм еняет ся. Главный период таких колебаний близок к половине суток. Это про исходит от возмущ аю щ его п ри тяж ен и я Л уны и Солнца.
2 .4 .2 . Л у н н о -с о л н е ч н ы е п р и л и вы
Л унная орбита имеет ф орм у эллипса: расстояние м еж ду Зем лей и Луной изм еняется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Орби тальны й период Л уны составляет 27,3 суток. С оздаваем ая Луной сила тяготения воздействует на океаны и на суш у, но горные породы более вязкие, поэтому эф ф ект лунного прилива в породах менее значительный.
П риливы вращ аю тся вместе с Зем лей и не сохраняю т свое полож е ние «под Луной». П риливы медленно смещ аю тся по поверхности Зем ли, следуя за Луной. В целом на каж ды й участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.
Солнце тож е создает приливы , но они гораздо слабее лунны х при ливов, потому что оно в 400 р аз дальш е от Зем ли. Когда Солнце, Зем ля и Л уна находятся на одной прямой и «тянут» в одном направлении (во врем я новолуния и полнолуния), приливы достигаю т наивы сш ей силы. Это так назы ваем ы е сизигийные приливы . Не случайно 49 % сильных зем летрясений приурочено к сизигиям.
Схема приливной эволю ции системы З ем л я — Л уна базируется на том ф акте, что и з-за сил приливного трения постепенно изменяю тся ди намические характеристики системы. Ф акт «векового» зам едления вра щ ения Зем ли был установлен давно: каж ды е 50 000 лет земны е сутки увеличиваю тся на 1 секунду.
П ри вращ ении Зем ли более быстром, чем обращ ение Луны, угловое перемещ ение приливной деф орм ации оп ереж ает угловое перемещ ение Л уны по орбите. Вращ ение Зем ли смещ ает вы пуклость прилива впе ред, ускоряя орбитальное движ ение Луны. П оэтому гравитационное взаим одействие м еж ду Луной и приливной деф орм ацией гидросферы и литосф еры ускоряет орбитальное движ ение Л уны и торм озит вра щ ение Земли. Зем ля 2 м лрд лет назад вращ алась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.
Когда Луна окаж ется с противоположной стороны Зем ли относитель но первоначальной точки, в этой точке снова начинается прилив. Такое
явление обусловлено тем, что при движ ении по орбите Луна вы зы вает смещение центра масс системы Л уна— Земля. Больш е всего сместятся массы, для которы х Л уна в зен и те Z,
меньше — центральны е м ассы , и ещ е |
ЛунаХ |
|
меньше — массы, для которы х Л уна в |
||
N t r ^ H l Z |
||
надире N (рис. 2.16). |
*Океаны Орбита/Луны |
|
Наибольший подъем земной поверх |
Рис. 2.16. Схема лунного прилива |
|
ности под во зм у щ аю щ и м д е й ст в и е м |
Луны достигает 36,6 см, н аи б о льш ее опускание — 17,8 см. Р еальн ая деф орм аци я Зем ли приливной волной в
области экватора имеет м аксимальную ам плитуду 52 см, а на ш ироте 50* — 40 см. Таким образом, Зем ля непрерывно пульсирует. Эти п ер е мещения очень медленные: 4 см /ч. О кеанические приливы в некоторы х областях Земли достигаю т нескольких метров.
Из-за эллиптической ф орм ы лунной орбиты приливообразую щ ая сила Луны в перигее на 40 % вы ш е, чем в апогее. В начале января З ем ля достигает точки наибольш его п риближ ен ия к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий (перигея и перигелия) сум марная приливообразую щ ая сила Л уны и Солнца достигает м акси мума. Видимо, не случайно м аксим альная сейсм ичность приходится на зимний период. Н ап ри м ер, с 1946 по 1963 гг. на К а в к а зе п рои зош ло 867 землетрясений, из которы х на весну приш лось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 зем летрясения.
Приливная эволюция системы Зем л я — Луна приводит к сущ ествен ным изменениям условий на поверхности и внутри Земли, преобразу ющих лик Зем ли, м еняю щ их клим ат и х ар ак тер осадконакопления. Приливная сила «разрабаты вает» деф екты в горной породе, подверж ен ные ее воздействию. В этом смы сле она подобна вибрации, которая р а ботает на протяж ении всей геологической истории Земли.
Под действием приливны х сил сф ерическая оболочка земной коры деформируется в вы тянуты й эллипсоид с главной осью, направленной на Луну. Оболочка земной коры находится в постоянно поддерж ивае мом извне знакопеременном напряж енном состоянии; основная перио дичность изменения напряж енного состояния близка к половине суток. Согласно оценкам, напряж ение на экваторе, вы званное приливной вол ной, изменяется в диапазоне 5000 П а/ц и кл . П ри прохож дении прилив ной волны в системе блоков остается некоторая необратимая д еф орм а ция. Можно сказать, что приливны е силы закачиваю т в земную кору сейсмическую энергию.
П риливы непреры вно подкачиваю т упругую энергию в систем у блоков, слагаю щ их земную кору. П риливная энергия н акап ливается в земной коре в виде н ап ряж ен и й изгиба, кручения, сдвига и сж атия. П остепенно равновесие в ансам бле блоков становится неустойчивым . В какой -то момент происходит сейсм ический сры в и переупаковка блоков — их переход в новое равновесное состояние. В отдельны е годы сильны е зем л етр ясен и я происходят почти по граф и ку полнолуний и
новолуний.
Солнечные и лунны е приливы постоянно «массируют» земную кору и содерж ащ иеся в недрах флю иды . П риливы «тренируют» нефть, не дают ей застаиваться, разруш аю т ее коагуляционную структуру сла
быми импульсами.
2.4.3. |
Г ео д и н а м и к а зе м н о й к о р ы и д о б ы ч а у гл е в о д о р о д о в |
|
По данным ООН за последние три десятилетия ущ ерб, нане |
сенный природно-техногенными катастроф ам и, увеличился в три раза. К числу м алоизученны х явлений природно-техногенного происхож де ния следует отнести геодинамические явления, которые связаны с ос воением недр. В последнее врем я внимание специалистов стали при влекать ф акторы риска в районах интенсивной неф тегазодобы чи — катастроф ические явления, спровоцированные разработкой м есторож дений.
В настоящ ее врем я инструм ентально доказано, что аномальны е из м енения флю идного и тем пературного реж им ов осадочного чехла, ло кализованны е сейсм опроявления и аварии на пром ы слах прямо или косвенно связаны с изменением напряж енно-деф ормированного состо яния (НДС) земной коры. Эволю ция современной геодинамики земных недр позволяет по-новому см отреть на многие природны е явления и реш ать прикладны е задачи нефтепромы словой геологии.
При рассмотрении динамики земной коры использую т модель, ко торая вклю чает в себя глобальную систему из 15 тектонических плит: Е вразийская, А ф риканская и др. (см. рис. 2.14). В наиболее активных сейсмических зонах плиты имею т меньш ие разм еры : И ндийская, А ра вийская и др. Основные геологические события происходят по грани цам тектонических плит. В тех м естах, где плиты сталкиваю тся (зоны субдукции), развиваю тся больш ие тектонические напряж ения, изм е няется рельеф , ф ормирую тся горы, происходит вулканическая деятель ность, активизирую тся сейсм ические события.
Изменение напряж енно-деф орм ированного состояния недр и как следствие изменение флюидного реж им а за счет движ ения земной коры подтверждается комплексом наблю дений вблизи границы столкнове ния Евразийской и А равийской тектонических плит (рис. 2.17). К ак р е зультат этого столкновения образовались молодые К авказски е горы. История геодинамического развития К авказа связана с началом ф о р мирования в кайнозое риф та в районе Красного моря. Динамическое влияние Аравийской плиты, которая дви ж ется в северо-восточном на правлении, проявляется в горизон тальных сж имаю щ их деф орм аци ях в пределах К авказского и Каспийского регионов.
36 |
42 |
48 |
54 |
60 |
Рис. 2.17. Изменение направления движения Аравийской плиты во времени:
1 — направление осей альпийских складок; 2 — главные надвиги; 3 — главные сдвиги; 4 — изменение направления движения плиты
Характерно, что скорости спрединга (расхож дения) в п р ед ел ах рифта Красного моря и скорости сж ати я в пределах К авказа близки по величине и составляю т 1,5— 2,0 см /год. Т ектоническая активность этой территории вы р аж ается в зн ачительны х горизонтальны х (сж а тие) и вертикальны х (возды м ание) движ ениях . Эта активность наш ла свое отражение в м орфологическом облике надвиговы х структур и в избирательном распределен и и зон с аномально высоким пластовы м давлением.
На территории А равийско-К авказского региона зем летрясения про являются с большой частотой (рис. 2.18). Глубина их очагов не превы
ш ает 10— 15 км и находится в низах палеозойского ф ундам ента. П рак тически все сильны е зем л етр ясен и я приурочены к зонам разломов. М еханизм больш инства зем летрясений — сколы, то есть движ ения по пологим плоскостям.
Рис. 2.18. Карта эпицентров сильных землетрясений (магнитуда 4,5) на тер ритории Аравийско-Кавказского региона за период 1961—80 гг.
Современные геодинамические процессы в литосф ере — это мощ ные по энергетике природны е процессы (см. табл. 2.1). А ктивность р аз ломов на глубинах 2— 5 км определяю т сущ ествую щ ие там относитель ные деф орм ации со значен иям и п • 1СГ5 и напряж ен ия 10—20 МПа. Эти напряж ен ия не всегда учиты ваю тся в расчетах надеж ности неф тепро мысловых объектов и прочности обсадных колонн эксплуатационных скважин.
Ф лю иды, как наиболее подвиж ная компонента литосф еры , чутко реагирует на движ ение земной коры и изм енение напряж енно -деф ор мированного состояния (НДС) недр. П риродны й геодинамический ф ак тор им еет мощное влияние на ф лю идодинамическую систему осадоч ного чехла. Эта закономерность многократно подтверж дена наблюде-
ниями. Например, на м есторож ден иях Т ерско -К аспийского прогиба максимальная добыча н еф ти совпала по врем ени с состоянием, когда весь Кавказский регион испы ты вал усилия сж атия со стороны А равий ской плиты. Подобная синхронность м еж ду максимумом добычи и со стоянием сж атия земной коры наблю далась на всех пром ы слах К ав к аз ско-Каспийского региона (рис. 2.19).
После наблюдавшегося снятия в 1978 г. тектонического напряж ения с горных пород пластовое давление в неф тегазовы х зал еж ах упало бо лее чем на 25 МПа, в резу л ьтате чего произош ел резкий спад добычи нефти по всем нефтегазовы м объе динениям К аспийского региона.
При этом наблю далась м играция процесса спада добычи и з А зе р байджана в Д агестан и д а л е е в Казахстан.
Совместный а н а л и з ге о д ези ческой и промысловой и н ф о р м а ции показал, что в п р ед ел ах у ч а стков поднятий п о вер х н о сти до 32 мм (состояние тектонического сжатия) добыча неф ти имела тен денцию к увеличению. В пределах оседающих до 16 мм участков (ос лабление усилий сж ати я или со стояние растяж ения) наблю далось резкое снижение добычи нефти.
Рис.2Д9.Объемы добычи нефти из сква |
|
жинразных месторождений Кавказско- |
|
Каспийскогорегиона за 1946—64 гг.[46У |
|
] — уровень подземных вод в скважине |
|
Астраханская; 2 — уровень Каспийско |
|
го моря; 3—10— добыча нефти: 3 — сум |
|
марная по региону, 4 — Азербайджан, |
|
5 — Мангышлак, 6—Туркмения, 7 —Тур- |
|
кменнефть, 8 — Азнефть, 9 —Эмбанефть. |
Годы |
10 — Дагестан |
М еханизм воздействия современного напряж енного состояния зем ных недр на флю идный реж им зал еж ей можно сравнить с механизмом отж им ания наполненной водой губки. П ри оказании на нее внешнего давления (сж атии) из губки вы ж и м ается вода, а при отсутствии давле ния губка способна впитать больш ой объем воды. При планировании закачки ж идкости в пласты горных пород необходимо учиты вать про странственно-врем енны е особенности динамики тектонических напря жений.
В периоды сж атия пород геодинамически активны х месторождений наруш аю тся традиционные зависимости пластового давления и темпе ратуры от глубины. Так, на Терско-С унж енском месторождении значе ния пластового давления и тем ператур в верхнемеловы х зал еж ах пре вы ш али их нормальные значения на 10— 20 МПа и на 7— 15 "С (рис. 2.20).
Рис. 2.20. График изменения начального пластового давления и температу ры в залежах группы Терско-Сунжеских месторождений [46]
Совместный анализ геодинамической и промысловой информации показы вает, что в пределах возды маю щ ихся участков (что соответству ет усилиям сж атия) добыча ж идкости им еет тенденцию к увеличению, а в пределах прогибаю щ ихся участков (что соответствует ослаблению сж ати я или растяж ению ) — сниж ение добычи.
Р азработка м есторож дений в ряде случаев провоцирует тех н о ген ные зем л етр ясен и я . П ри интенсивном отборе флю идов, а такж е при интенсивной закачке в пласт ж идкости могут возникать сейсмические
события. Техногенны е сейсм особы тия с очагам и в продуктивной тол ще характеризую тся м агнитудой до 3,5, а с очагами вы ш е или ниж е пласта — до 4.5. На Старогрозненском месторождении в 1971 г. произош ло землетрясение в 7 баллов с глубиной очага в 2,5 км в присводовой части залеж и . Ч ер ез несколько часов повторное зем летрясение в 5 бал лов было зарегистрировано на глубине 5 км. На территории Ром аш кинского м есторож дения в 1986 г. зарегистрировано 15 зем летрясений с глубиной очага до 10 км и силой в эпицентре в 5— 6 баллов.
Положение очагов индуцированны х зем летрясений оп ределяется разломами, которые предрасполож ены к сдвиговым деформациям. Спу стя 15— 20 лет после начала разработки месторождения часто происхо дит поверхностное разломообразование, которое особенно разруш итель нопоотношению к объектам обустройства нефтегазовых промыслов. П ри этом поверхностные трещ ины проникаю т на глубину до нескольких сот метров, а протяж енность поверхностны х разры вов порой составляет десятки километров.
Примеры типичны х техногенны х зем летрясений, произош едш их на нефтегазовых м есторож дениях, приведены в табл. 2.5.
Таблица 2.5. Параметры типичных техногенных землетрясений на нефтегазовых месторождениях
|
Год начала |
Глубина |
Глубина |
Магнитуда |
|
|
разработки, |
||||
Название |
разрабаты |
очага зем |
(число |
||
год начала |
|||||
месторождения |
ваемой |
летрясения, |
земле |
||
регистрации |
|||||
|
залежи, м |
м |
трясений) |
||
|
сейсмичности |
||||
|
|
|
|
||
Газовое |
|
|
|
4,2 |
|
месторождение Лак |
1957; 1969 |
3500—4500 |
2500—3500 |
(около 1000 |
|
(Франция) |
|
|
|
за 10 лет) |
|
Нефтяное |
|
880 |
|
3,5 |
|
месторождение Gobies |
1960; 1979 |
900 |
(480 |
||
(Канада) |
|
|
|
за 5 лет) |
|
Нефтяное |
|
|
|
4,7 |
|
месторождение Cogdel |
1949;1974 |
2100 |
1900— 2100 |
(20 |
|
(США) |
|
|
|
за 11 лет) |
|
Нефтяное |
1926; 1947 |
760— 1830 |
500 |
3,9 |
|
месторождение |
|||||
Wilmington (США) |
|
|
|
|
|
Нефтяное |
|
|
|
6,0 |
|
месторождение Долина |
1950; 1976 |
2500 |
2500—3000 |
(более100 |
|
(Украина) |
|
|
|
в 1976 г.) |
До начала разработки зал еж и продуктивны й коллектор находит ся под воздействием д авлен и я вы ш езалегаю щ их горных пород. Внутрипоровое давление в за л еж и противостоит части горного давления. В процессе разработки зал еж и пластовое давление ум еньш ается, от чего увеличивается эф ф ективное напряж ение в скелете горной поро ды (2.19). У величение <тфф эквивалентно уменьш ению м одуля деф ор мации пласта. В резул ьтате изм еняется НДС вы ш ележ ащ его массива, продуктивного пласта и подстилаю щ их пород. П орода-коллектор под действием веса вы ш ележ ащ его массива дает осадку, и эта осадка по степенно передается на дневную поверхность.
И нтенсивные оседания земной поверхности наблю даю тся на десят ках разрабаты ваем ы х месторождений. На многих из них осадки повер хности составляю т несколько метров. Дно Северного м оря над место рож дением Экоф иск (Норвегия) просело настолько, что высота верх них строений эксплуатационны х платф орм над уровнем моря снизилась до критической. П ризнаки оседания проявились такж е в ф орм е р азр у ш ения обсадных колонн нескольких эксплуатационнны х скважин. На неф тяны х месторож дениях в районе озера М аракайбо (Венесуэла) опус кание поверхности достигло 4 м и сопровож далось образованием сис тем ы трещ ин на зем ле ш ириной в десятки сантим етров и глубиной в несколько метров.
И сследования показы ваю т, что осадка земной поверхности может превы ш ать величину осадки продуктивного пласта за счет вовлечения в процесс сж ати я соседних пород. О седание м ож ет усилиться за счет эмиграции флю идов из см еж ны х пластов-неколлекторов. М аксималь ные проседания происходят над участкам и зал еж и с высокими коллек торскими свойствами и наибольш ими коэф ф иц иентам и извлечения не фти. При этом случаю тся сущ ественны е горизонтальны е смещ ения по чвы, приводящ ие к деф орм ациям инж енерны х сооружений.
А ктивизация глубинных и поверхностных разломов, осадки и горизон тальные сдвиги, массовые локализованные сейсмопроявления и аварии на нефтепромысловых объектах прямо или косвенно связаны с изменением напряженно-деформированного состояния земной коры, вызванным как глобальны ми процессами, так и разработкой месторож дений. С этой точки зрен ия разработку крупны х неф тегазовы х месторож дений сле дует проводить с максимальной осторожностью . Д елать это можно толь ко после оценки экологического и технического риска с учетом возмож ных последствий для разм ещ енны х в регионе промыш ленных объек тов и населенны х пунктов.