Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1
.pdfГЛАВА 3
ОСЕДАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ГОРНОГО МАССИВА ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ,
ИХ МОНИТОРИНГ И ПРОГНОЗ
3.1.ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ОСЕДАНИЯМИ ГОРНЫХ МАССИВОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НЕФТИ И ГАЗА
Основные понятия, термины и определения элементов сдвижения горных пород и земной поверхности
при разработке месторождений углеводородного сырья
Деформации земной поверхности достаточно широко распро странены при разработке нефтяных и газовых месторождений. Однако уровень этих деформаций имеет широкий диапазон - наблюдаются оседания от нескольких миллиметров до несколь ких метров. Для большей части месторождений скорости проса док составляют умеренные величины - один-два сантиметра в год, а суммарные (накопленные) величины просадок земной по верхности за длительные периоды разработки месторождений не превышают десятков сантиметров. Последствия таких деформа ционных процессов состоят главным образом в смятиях обсад ных колонн, в частичном подтоплении поверхности на месторо ждениях, расположенных в равнинных территориях с густой речной сетью, иногда в проявлении локальных оползневых про цессов. Экологические и социально-экономические последствия могут быть как прямыми (загрязнение геологического разреза и подземных водных ресурсов углеводородными составляющими и продуктами бурения), так и косвенными (развитие локальных оползневых процессов, меняющих ландшафт и гидрогеологиче ский режим приповерхностных отложений, заболачивание терри торий с необратимыми изменениями экосистем, перенос углево дородных компонентов по региональным водоносным горизонтам на большие расстояния).
Интенсивные техногенные смещения (просадки) земной поверхности на длительно разрабатываемых месторождениях
углеводородов (более 1-2 м) - менее распространенное явле ние, но с весьма опасными последствиями. Основные и наибо лее опасные формы этих последствий - сильные деформа ции наземных сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсад ных колонн эксплуатационных скважин, заболачивание и затоп ление опускающихся участков земной поверхности, регио нальное проявление оползневых процессов. Экологические последствия являются, как правило, необратимыми. Загрязняют ся геологическая среда и подземные воды, меняется ландшафт за счет разлива больших объемов углеводородных продуктов из нарушенных коммуникаций, происходят значительные выбросы в атмосферу газообразных продуктов из нарушенных назем ных сооружений. В связи с изложенным геодинамический мониторинг и прогноз деформационных процессов при раз работке месторождений углеводородов являются обязатель ной нормой цивилизованной эксплуатации природных ре сурсов.
Как уже отмечалось, наука о сдвижении горных пород воз никла при разработке, прежде всего, угольных месторождений [1, 14, 19, 40]. Именно при разработке угольных месторождений появились все термины и определения, связанные с описанием процессов деформирования земной поверхности в процессе до бычи полезного ископаемого. В последующем эти определения перешли в соответствующую проблему геомеханики, связанную с разработкой рудных месторождений (М.А. Кузнецов, А.Г. Аки мов, А.Г. Шадрин, А.Д. Сашурин, Ю.А. Кашников и др. [15, 37, 43]). Однако, в настоящее время в науке о сдвижении горных пород при разработке месторождений углеводородов отсутствует общепринятая терминология, характерная для месторождений твердых полезных ископаемых. В связи с этим дадим основные понятия, термины и определения элементов сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке месторождений уг леводородного сырья.
1.Сдвижение горных пород и земной поверхности - переме щение и деформация массива горных пород и земной поверхно сти в результате нарушения их естественного равновесия под влиянием добычи углеводородного сырья.
2.Мульда сдвижения земной поверхности - участок земной поверхности, подвергшийся сдвижению под влиянием добычи нефти или газа.
3.Главные сечения мульды сдвижения - вертикальные сече ния мульды по простиранию и вкрест простирания нефтяной залежи, проходящие через точки с максимальными оседаниями
земной поверхности.
4. Оседание земной поверхности г\ (в мм) - вертикальная со ставляющая вектора сдвижения точки в мульде сдвижения зем
ной поверхности.
5. Вертикальные деформации земной поверхности (наклоны, кривизна) - деформации земной поверхности в вертикальной плоскости, вызванные неравномерностью вертикальных сдви жений.
6.Горизонтальные деформации растяжения или сжатия - де формации земной поверхности в горизонтальной плоскости, вы званные неравномерностью горизонтальных сдвижений.
7.Горизонтальное сдвижение земной поверхности (в мм) - горизонтальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде сдвижения земной поверхности.
8.Наклоны интервалов в мульде сдвижения - отношение разности оседаний двух соседних точек мульды к расстоянию между ними.
9.Граничные углы - внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями
илиниями, последовательно проведенными в коренных породах, мезозойских отложениях и наносах, соединяющими положение забоев крайних добывающих скважин с границей зоны влияния подземных разработок на земной поверхности, за которую при нимается геометрическое место точек, имеющих оседания 10 мм.
10.Углы сдвижения - внешние относительно выработанного пространства, образованные на вертикальных разрезах по глав ным сечениям мульды сдвижения при полной подработке гори зонтальными линиями, последовательно проведенными в корен ных породах, мезозойских отложениях и наносах, соединяющими положение забоев крайних добывающих скважин с границей зо ны опасного влияния на земной поверхности. Отметим при этом, что в мировой литературе отсутствует понятие «угол сдвижения» в данной интерпретации. Угол сдвижения определяется обычно на допустимую или предельную деформацию для конкретного охраняемого объекта.
И. Граница зоны влияния добычи нефти или газа - граница мульды - контур зоны на земной поверхности, определяемый по граничным углам.
12.Граница зоны опасного влияния добычи нефти - контур зоны опасного сдвижения земной поверхности, определяемый по углам сдвижения или деформациям наклона (410'3), кривизны (0,2*1(Г3 1/м), растяжения (2Ю~3).
13.Графики сдвижений и деформаций земной поверхности - линии, изображающие в определенном масштабе распределение
134
величин сдвижений и деформаций земной поверхности на про фильной линии. Различают графики: оседаний ц, горизонтальных сдвижений £, наклонов i мульды сдвижения, горизонтальных де формаций е (растяжений, сжатий), кривизны мульды сдвижения k\ скорости оседания.
14.Исходный репер - пункт геодезической сети, расположен ный на участке, не подвергающемся сдвижению, и служащий для передачи отметки на опорные реперы станции.
15.Опорный репер - репер профильной линии, заложенный на участке наблюдательной станции, который не подвергается сдвижению и служит исходным для наблюдения на данной про фильной линии.
16.Рабочий репер - репер профильной линии, предназначен ный для определения величин сдвижений земной поверхности, положение которого в пространстве определяется относительно опорных реперов профильной линии.
17.Максимальные горизонтальные деформации - наибольшие сжатия и растяжения интервалов мульды.
18.Максимальное горизонтальное сдвижение (в мм) - наи большая горизонтальная составляющая векторов сдвижения то чек.
19.Максимальные наклоны мульды сдвижения - наибольшие наклоны интервалов мульды сдвижения.
20.Максимальное оседание (в мм) - наибольшая вертикаль ная составляющая векторов сдвижения точек.
21.Наблюдательная станция - совокупность реперов, зало женных по определенной схеме на земной поверхности, в соору жениях или подземных выработках с целью проведения наблю дений за сдвижением земной поверхности, сооружений или гор
ных пород в толще.
22.Общая продолжительность процесса сдвижения - период,
втечение которого земная поверхность над выработанным про странством находится в состоянии сдвижения. За начало процес са сдвижения точки земной поверхности принимается дата, на которую оседание точки достигает 10 мм; за окончание - дата, после которой суммарные оседания на протяжении 1 года не превышают 10 % максимальных, но не более 5 мм.
23.Плоское дно мульды сдвижения - часть мульды сдвиже ния при полной подработке земной поверхности, в пределах ко торой оседания имеют максимальные величины. На вертикаль ных разрезах плоское дно мульды определяется углами полных сдвижений.
24.Предельные деформации земной поверхности (основания
сооружений) - деформации, превышение которых может вызвать
аварийное состояние сооружений, повлечь угрозу опасности для жизни людей.
25. Сосредоточенные деформации - деформации (горизон тальные и вертикальные) на небольших (до 50 м) интервалах мульды сдвижения, резко превышающие соответствующие де формации на смежных таких же интервалах.
Отметим, что при формулировании таких понятий как углы сдвижения, граничные углы сдвижения, углы полных сдвижений возникают трудности, связанные с понятием границы вырабо танного пространства, как это принято в науке о сдвижении гор ных пород при разработке месторождений твердых полезных ис копаемых [9, 10, 14, 31]. В данном случае граница является не определенным понятием, так как радиус контура влияния нефтя ной, а тем более, газовой скважины может составлять несколько километров и, чаще всего, неизвестен достоверно. Так, при расче тах оседаний поверхности при разработке отдельных месторож дений газа в долине реки По (Италия) предполагалось, что паде ние давления по горизонтали не выходит за пределы газовой за лежи, но происходит в слоях толщиной Ю м выше и ниже кол лектора [62]. Опыт контроля деформационных процессов при разработке Сеноманской залежи Уренгойского нефтегазоконден сатного месторождения свидетельствует, что падение давления распространяется на несколько километров по горизонтали. Од нако, в настоящее время представляется оправданным определять угловые параметры сдвижения от забоев крайних добывающих скважин в силу неопределенности радиуса контура питания скважин.
3.2. ПРИМЕРЫ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ,
СВЯЗАННЫХ С РАЗРАБОТКОЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ
К настоящему времени имеется уже достаточно обширный опыт геодезического мониторинга деформационных процессов при разработке месторождений углеводородного сырья. Этот опыт показывает исключительное многообразие параметров про седания поверхности и массива. В то же время он позволяет уве рено говорить об основных факторах, которые определяют воз можность интенсивных и обширных просадок земной поверхно сти над длительно разрабатываемыми месторождениями. К ним относятся [20, 21, 35]:
наличие аномально высокого пластового давления и его зна чительное снижение в процессе освоения месторождения;
отбор пластовых флюидов из рыхлых, слабосцементированных песков и песчаников, переслаивающихся с глинами. Эти по роды характеризуются высокими значениями пористости (до 20-30 %). В этих условиях на поверхность вместе с пластовой жидкостью выносится, как правило, значительное количество породы.
В целом, на основании уже большого объема результатов ин струментальных наблюдений можно заключить, что интенсивное, обширное проседание земной поверхности при длительной раз работке месторождений углеводородов возможно, как правило, при сочетании следующих условий:
значительная площадь разрабатываемого месторождения (по рядка 25 км2 и более);
значительная мощность продуктивных отложений (как прави ло, более 100 м);
относительно небольшая глубина разрабатываемых интерва лов геологического разреза (как правило, до 2000 м);
высокая пористость пород резервуара (порядка 25-30 % и бо лее);
слабые физико-механические и прочностные свойства пород, слагающих продуктивные объекты;
отсутствие системы поддержания пластового давления на месторождении.
Обобщение имеющейся информации показало, что для место рождений углеводородов с коллекторами трещинно-кавернозного типа обширных просадок земной поверхности, как правило, не наблюдается. Однако для них повышается риск возникновения техногенно-индуцированной сейсмичности и суперинтенсивных деформаций земной поверхности в зонах разрывных нарушений и областей повышенной трещиноватости.
Ниже весьма кратко рассматриваются наиболее известные и характерные примеры деформаций (просадок) земной поверх ности, вызванные длительной разработкой месторождений угле водородов. Отметим, что более подробные сведения по зарубеж ным месторождениям представлены в работах Ю.О. Кузьмина, В.А. Сидорова [20, 38].
Устъ-Балыкское нефтяное месторождение Западной Сибири
К сожалению, несмотря на огромный опыт разработки данных месторождений, масштабные исследований процессов сдвижения земной поверхности были начаты только в 2001-2002 гг. Их не которые результаты, а также проекты наблюдательных станций и типы реперов представлены в конце данной главы. Остановимся
только на результатах наблюдений на Усть-Балыкском геодинамическом полигоне в 1988-1990 гг.
В 1988-1990 гг. Главтюменнефтегазом на территории УстьБалыкского нефтяного месторождения был развернут геодинамический полигон. Руководство экспедицией было возложено на
В.А. Сидорова и С.В. Курсина Перед экспедицией Главтюменнефтегазом была поставлена
основная задача - разобраться с природой «землетрясений», имевших место в 1984-1988 гг. в г. Нефтеюганске. Основной упор был сделан на решение именно этой задачи. Согласно программе исследований были проведены следующие полевые ра боты.
1.Высокоточное нивелирование по профильным линиям.
2.Микрогравиметрические работы.
3.Сейсмический мониторинг.
4.Светодальномерные измерения.
5.Геомагнитные наблюдения.
6.Сейсмологические исследования.
7.Наклономерные работы.
Геодезический мониторинг состоял преимущественно из высокоточного нивелирования 2 класса. Всего было заложено 170 пунктов нивелирования 2 класса, дополнительно по г. Нефтеюганску - 40 пунктов. По г. Нефтеюганску было выпол нено 12 циклов нивелирования 2 класса, по Усть-Балыкскому месторождению - выполнено 6 циклов.
К сожалению, в отчете не приводятся типы заложенных репе ров и способы их закладки. Последнее обстоятельство имеет ос новополагающее значение для территории нефтяных месторож дений Западной Сибири, поскольку сезонные колебания слабого, а в ряде мест намывного грунта, подверженного пучению и вы мерзанию, могут полностью исказить результаты наблюдений, особенно когда речь идет о первых миллиметрах или даже их десятках.
Результаты двухлетнего нивелирования не показали выра женных оседаний поверхности. Полученные графики вертикаль ных сдвижений за различные периоды наблюдений имеют край не неравномерный вид. Участки оседаний размером 10-20 мм сменяются поднятиями такого же размера, затем опять оседа ниями и т.д. Размах значений составляет +20-20 мм, что, види мо, соответствует фоновым значениям колебаний грунта (отме ток реперов), при этом, по мнению В.А. Сидорова, наблюдаются выраженные суперинтенсивные деформации поверхности, т.е. концентрированные деформации, приуроченные к определенным местам и появляющиеся периодически. В.А. Сидоров, Ю.О. Кузь
мин типизировали их как р-, а-, 5-аномалии современных движе ний земной поверхности [20, 38].
Выполненные учащенные нивелировки практически не имели аналога для нефтяных месторождений Западной Сибири и имели целью найти аномалии современных движений земной коры на месторождениях. Однако выделить в климатических условиях нефтяных регионов Западной Сибири (неустойчивость реперов, сильная заболоченность, вымерзание почвы и т.д.) инструмен тальными методами аномальные зоны современных вертикаль ных движений земной поверхности, которые характеризуются значениями до 20-30 мм, представляется крайне затруднитель ной задачей. Проводя подробные учащенные нивелировки, мож но получить каждый раз большое число различных аномалий движений и, как следствие, динамически напряженных зон (ДНЗ). Целесообразнее всего проводить общий прогноз значений и скоростей просадок на месторождениях, а также выделять зоны наиболее интенсивных просадок, поскольку в данных зонах мо гут возникнуть осложнения с устойчивостью скважин, локальные участки заболоченности и некоторые другие негативные явления.
В целом двухлетний период наблюдений оказался совершенно недостаточен для выявления закономерностей процесса сдвиже ния на нефтяных месторождениях. Даже при разработке рудных месторождений, разрабатываемых на глубинах 500-800 м, требу ется 8—10 лет наблюдений для установления параметров сдвиже ния [15, 37]. Однако по результатам двухлетних наблюдений ста ло ясно, что катастрофических осадок в районе Усть-Балыкского месторождения не ожидается, возможная годовая скорость осе даний реперов составляет 10-20 мм. Такая скорость оседания поверхности не приведет к заболачиванию местности, наруше нию нормальной эксплуатации поверхностных объектов нефте добычи.
Нефтяные месторождения севера Пермской области
Расчетам процессов оседаний земной поверхности и горного массива при разработке нефтяных месторождений севера Перм ской области посвящен специальный раздел данной книги, по этому отметим только, что наблюдения ведутся в настоящее вре мя на пяти месторождениях: Уньвинское, Чашкинское, Сибир ское, Шершневское, им. Архангельского. Максимальное зафикси рованное значение оседаний за более чем 25-летний период на блюдений не превышает 30 мм [13, 16].
Нефтяные месторождения Татарстана
На Ромашкинском месторождении Татарстана исследования процессов сдвижения ведутся с 1991 г. по методике нивелирова ния 2 класса. Среднее расстояние между реперами 1 км, имеются взаимо-пересекающиеся профильные линии со сгущением между реперами до 0,5 км. Основные итоги наблюдений сводятся к фиксированию факта отсутствия масштабных проседаний по верхности [33]. Графики показывают высокую амплитуду обра тимых вертикальных сдвижений поверхности в зонах отдельных разломов (от 1 до 10 см в год), что позволяет выделить наиболее активные и значимые из них. Точки перегибов на профилях со храняют свое положение на всех сочетаниях и совпадают в про странстве с большинством из известных разломов, выделенных комплексом геолого-геофизических исследований.
Северо-Ставропольское газовое месторождение
При разработке месторождения в период с 1956 по 1961 г., опускание земной поверхности составило 14,1 см, а с 1961 по 1962 г. - от 0,8 до 3,7 см в различных частях месторождения. В августе 1979 года максимальная просадка достигла 92 см. Иссле дователи отмечают, что оседание земной поверхности вызвано сжатием как продуктивного пласта, так и вышележащих майкоп ских глин.
Уренгойское нефтегазоконденсатное месторождение
Расчетам процессов оседаний земной поверхности и горного массива при разработке Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения также посвящен специальный раздел данной кни ги, поэтому отметим только, что за 25-летний период наблюде ний практически с начала отработки месторождения максималь ное оседание, вызванное отработкой сеноманской залежи, зале гающей на глубине 1200 м и эффективной газонасыщенной тол щиной свыше 100 м, составило свыше 340 мм. По результатам инструментальных наблюдений установлено, что мульда оседа ния земной поверхности распространяется за границы ГВК до 8-10 км. Это обстоятельство не вписывается в рамки традицион ных представлений о развитии процессов сдвижения горных по род при разработке месторождений полезных ископаемых, со гласно которым границы мульды сдвижения удалены от границ разработки на расстояние, определяемое граничным углом сдви жения 45-55°. В данном случае граничный угол сдвижения дохо
дит до 10-15°. Ничем иным, как перетоками газа из удаленных от ГВК областей в сторону основной добычи и падением давле ния в этих областях, отмеченное явление объяснить нельзя.
Шебелинское газовое месторождение (Украина)
Газоносные пласты месторождения залегают на глубине 1160-2360 м. Породами-коллекторами являются песчаники, гли ны и аргиллиты. За 1965-1969 гг. пластовое давление в резер вуаре упало от 16 до 13 МПа. Наблюдения за оседанием земной поверхности на месторождении были начаты в 1965 г., а повтор ные наблюдения были проведены в 1969, 1975, 1982 и 1988 гг. Установлено интенсивное оседание земной поверхности от границ к центру залежи. За 1965-1982 гг. опускание составило 366 мм и оно продолжается по мере добычи газа. Скорость осе дания увеличивается от 19,9 до 24,5 мм/год. Наибольшие оседа ния выявлены в центральной части залежи. Помимо вертикаль ных движений были установлены интенсивные горизонтальные смещения земной поверхности. Отмечена связь между величина ми оседания земной поверхности, объемами добычи газа и паде нием пластового давления.
Анастасиевское нефтяное месторождение (Украина)
По результатам двухлетнего повторного нивелирования уста новлено оседание земной поверхности со скоростью 6 мм/год, что коррелировалось с извлекаемыми объемами нефти. За иссле дуемый период времени закачка жидкости в пласт для поддер жания пластового давления не производилась. После закачки жидкости было отмечено замедление темпа опускания земной поверхности.
Нефтяные месторождения Апшеронского полуострова (Азербайджан)
Повторное нивелирование, которое выполнялось на террито рии Сураханского нефтяного месторождения в течение 60 лет надежно зарегистрировало интенсивное опускание земной поверхности, которое происходило со средней скоростью около 4,8 см/год [44]. Суммарная амплитуда опускания земной поверх ности составила почти 3 м. Пространственно-временные пара метры выявленного опускания земной поверхности (размеры, амплитуда) тесно коррелируют с параметрами отбора нефти во времени.