Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1
.pdfАналогичные особенности отмечены для группы месторожде ний Балахны - Сабунчи - Раманы. За 15-летний период наблю дений опускание земной поверхности в пределах этой группы месторождений составило от 40 до 120 см.
Поверхность над Карачухурским нефтяным месторождением с начала разработки характеризовалась опусканием со скоростью около 1,6 см/год. Был установлен существенно неравномерный характер деформаций земной поверхности во времени.
Газлийское газовое месторождение (Узбекистан)
Начало разработки месторождения относится к 1964 году. Мощность газоносных пластов составляет 80-120 м, а глубина резервуара - от 800 до 1350 м. В период освоения месторожде ния в газоносные пласты было закачано около 600 млн м3 воды, что составляет нагрузку примерно 1 млн т на км2. Опускание земной поверхности с 1964 по 1974 г. происходило со скоростью 10,0-20 мм/год. Показано, что уменьшению внутрипластового давления на 1 атм. соответствует опускание земной поверхности в центральной части месторождения на 2 см.
Нефтяное месторождение Уиллмингтон (Калифорния, США)
Это одно из наиболее известных месторождений, где прово дились длительные наблюдения за осадками земной поверхности. Разработка месторождения началась в 1926 г. и к 1967 г. оседа ние земной поверхности над месторождением достигло 8,7 м. Протяженность месторождения - 32 км. Добыча нефти велась из семи горизонтов (миоценовые и плиоценовые отложения) на глубинах от 600 до 1800 м. Верхняя часть месторождения сложе на песчаниками, алевролитами и сланцами. Пористость колеблет ся в пределах 33-37 %, а проницаемость - в среднем от 500 до 2000 мД. Интенсивное опускание на Уиллмингтоне грозило за топлением военно-морской верфи Лонг-Бич, при строительстве которой не учитывали возможность просадки. Только борьба с затоплением верфи стоила 6 млн долларов [56].
За 20 лет эксплуатации месторождения некоторые соединения обсадных колонн, имеющие начальную длину 12 м, стали короче на 30-40 см. По изменению длины этих соединений была уста новлена связь между уплотнением различных интервалов разреза и оседанием устья скважин. Удлинение труб произошло в боль шей части обсадных колонн. Суммарное удлинение труб в от дельных интервалах составило от 0,21 до 0,24 м. Было установ лено, что на уровнях заводнения произошло заметное удлинение
трубных соединений, вплоть до критического уровня растяжения, предшествующего разрыву.
Большинство исследователей связывало оседание с уплотне нием породы в нефтеносных отложениях, что вызывалось пони жением давления в результате отбора жидкости из пласта. Было предложено решить проблему опускания земной поверхности, восстановив пластовое давление путем заводнения нефтеносных отложений с интенсивностью от 100 до 200 тыс. м3/сут. Заводне нию подверглись четыре верхние зоны, и почти сразу же оседа ние поверхности прекратилось или скорость его существенно снизилась (до 25 мм/год), при этом одновременно повысилась нефтеотдача. В некоторых местах наблюдалось поднятие земной поверхности. Площадь поверхности, поднявшейся за период с 1960 по 1967 г., составила более 20,7 км2, а поверхность в центре осевшей зоны поднялась на 0,54 м.
Нефтяное месторождение Экофиск (Северное море)
Отметим, что оседание морского дна на данном месторожде нии является классическим примером негативного влияния про цессов разработки месторождений углеводородов на состояние нефтепромыслов. Месторождение Экофиск будет подробно рас смотрено в разделе 3.3, поэтому остановимся только на общих данных.
С помощью систематических повторных наблюдений было ус тановлено, что опускание поверхности морского дна происходит практически равномерно со скоростью 0,4-0,7 м/год. Макси мальное оседание морского дна в районе месторождения к концу 1985 г. составило 2,9-3,0 м. Диаметр зоны опускания около 6 км, т.е. просадкой охвачена только часть нефтяного месторождения Экофиск. На других участках месторождения просадки достига ли лишь нескольких десятков сантиметров.
Нефтяные месторождения района озера Маракайбо (Венесуэла)
Добыча нефти в этом районе началась в начале прошлого столетия. Уже через 15 лет наблюдались первые заметные оседа ния земной поверхности. Нефтяная компания «Shell oil Company Venezuela» приступила к детальному изучению этого процесса в 1926 г., а в 1931-1938 гг. наблюдения существенно расширились. К 1980 г. регулярные наблюдения за деформациями с интерва лом в 2 года стали проводится на территории 50x10 км. Сеть наблюдений за вертикальными смещениями земной поверхности включает около 1400 пунктов. Максимальное опускание (просад
ки) земной поверхности составило около 4 м. В некоторых мес тах выявлены опускания до 39 см за двухлетний интервал на
блюдений [52].
В северной части района Тиа Хуана, характеризующейся мак симальными просадами, было отмечено появление на поверхно сти земли систем трещин шириной несколько дециметров и глу биной несколько метров. Трещины расположены концентрически вокруг центра оседания, их общая длина достигает 10 км.
Кроме наблюдений за вертикальными смещениями были вы полнены наблюдения за горизонтальными смещениями и вариа циями силы тяжести во времени при помощи специальных на блюдательных сетей с расстояниями между пунктами от 50 до 1000 м. Максимальное горизонтальное смещение за шестимесяч ный период наблюдений составляет 24 мм, а среднее - 14 мм. Установлено увеличение силы тяжести во времени до 200 мкгал, что объясняется замещением нефти водой в процессе разработки месторождения, т.е. техногенным фактором.
В данном случае три независимых метода позволили контро лировать процессы разработки и локализовать участки земной поверхности, в пределах которых техногенные деформации при водят к существенному изменению приповерхностных условий.
Месторождения нефти газа в районе Хьюстона (Техас, США)
Большой объем работ по изучению просадок земной поверх ности был выполнен в районе г. Хьюстона (Техас, США) на тер ритории нескольких разрабатываемых месторождений нефти. За период 1943-1973 гг. в районе г. Хьюстона около 12200 км2 зем ной поверхности просело до 2 м. Оценки влияния извлечения нефти на просадки земной поверхности проводились по резуль татам повторного нивелирования, проводившегося с 1906 г. Сравнение суммарного отбора нефти с ходом проседания земной поверхности на месторождении Goose Creek позволило утвер ждать о наличии взаимосвязи между этими процессами. Умень шение пластового давления в ходе эксплуатации этого месторож дения составило 6,9-8,3 МПа за период 1943-1951 гг.
Исследователи отмечают, что на местоположение и величину проседания земной поверхности в районах разработки нефтяных месторождений могут влиять следующие факторы: темп сниже ния пластового давления, сжимаемость пород резервуара, отно шение глубины к мощности интервала сжатия пород. Так, для месторождения Goose Creek со значительными просадами харак терны быстрое падение пластового давления, повышенная сжи маемость пород и незначительная глубина разрабатываемого ре
зервуара (в среднем меньше на 500 м, чем на других месторож дениях данного региона).
Нефтяное месторождение Инглвуд (Калифорния, США)
Месторождение расположено в Южной Калифорнии. Участок Болдуин-Хилз сложен третичными и четвертичными отложения ми, залегающими на кристаллическом фундаменте (глубина 3050 м), и осложнен Инглвудским разломом, по которому проис ходили существенные горизонтальные смещения. В пределах этого разлома были зафиксированы землетрясения (1812, 1920, 1933 гг.), самое сильное из которых имело магнитуду 5,0-5,5 [26].
С начала эксплуатации месторождения (1924 г.) и до 1963 г. добыто 35,6 млн т нефти, около 60 млн т воды и 5,2 трл м3 газа. В 1957 г. было начато заводнение. Большая часть добычи отно силась к интервалу разреза 640-671 м.
Повторное нивелирование, проводившееся на территории площадью 26 км2 с 1910 г. со средним интервалом 4 г., выявило чашу дифференцированного опускания размерами 4,3x3,2 км. Опускание земной поверхности началось в 1926 г. и к 1962 г. составило от 1,17 до 1,32 м. Контур просадки земной поверхно сти совпадал с контуром нефтяного месторождения. Наблюда лась прямая корреляция между объемами отобранной из пласта жидкости и величинами опускания. В период 1934-1963 гг. были выявлены горизонтальные смещения с амплитудой до 0,67 м, причем в центральной части зоны опускания регистрировалось сжатие, а на периферии - растяжение, что указывало на выра женную аналогию процесса сдвижения пород аналогичному про цессу при разработке угольных месторождений. После начала полномасштабного заводнения скорость опускания резко умень шилась. На участке Болдуин-Хилз закартированы поверхностные трещины, в целом параллельные Инглвудскому разлому и на чавшие образовываться с 1951 г. Суммарные смещения по тре щинами достигают 16-18 см и характеризуются эпизодическими однонаправленными сдвигами. Исследователи отметили, что трещины проникают на глубины до 250-300 м, где зафиксирова но срезание или смятие обсадных колонн скважин, пересекаю щих трещины.
Нефтегазовое месторождение Лак (Франция)
Геодинамическим процессам на данном месторождении по священы многочисленные публикации, остановимся только на
процессах оседания поверхности. Повторное нивелирование на нефтегазовом месторождении Лак выполнено в 1887, 1967, 1979 гг. [26]. По результатам этих работ зарегистрировано оседа ние поверхности, причем оседание, зарегистрированное в 1967-1979 гг., полностью относится к периоду эксплуатации га зовой залежи. Математическое моделирование позволило пока зать, что проседание происходит за счет прогибания только не большого интервала кровли резервуара в результате уплотнения мергелей Сант-Сюзан. Результаты моделирования достаточно хорошо совпали с результатами повторного нивелирования, вы полненного в 1967 г. и 1979 г., которые показали, что за этот пе риод величина проседания земной поверхности над нефтегазо вым месторождением составила около 3 см.
Газовое месторождение Гронинген (Нидерланды)
Месторождение газа Гронинген относится к крупнейшим месторождениям мира. Продуктивные объекты представлены песками нижнепермского возраста и залегают на глубине около 2900 м. Сеть повторного нивелирования протяженностью 1250 км с 1300 пунктами наблюдений позволила выявить основ ные тенденции опускания земной поверхности, явно связанные с отбором газа из продуктивного пласта. Выполненные оценки и прогноз оседаний земной поверхности показали, что большая часть просадок произошла до 1990 г. Максимальная величина опускания к 2025 г. по прогнозам составит 0,3 м, а к 2050 г. - 1 м. Отметим, что наиболее масштабные аналитические исследо вания на данном месторождении по процессам оседаний поверх ности были выполнены Geertsma [54, 55].
Приведенные примеры результатов мониторинга деформаци онных процессов при разработке месторождений углеводородов, естественно, далеко не исчерпывают этот список. Можно лишь отметить, что наблюдения на каждом месторождении представ ляют бесценный материал как для конкретного месторождения, так и в целом для познания проблемы, поэтому, несмотря на их высокую стоимость и продолжительность, компании, ведущие разработку месторождений, могут получить существенную выго ду от их проведения.
3.3.СУЩЕСТВУЮЩИЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ
ИЧИСЛЕННЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ.
ОПЫТ ПРОГНОЗА ОСЕДАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ
При разработке месторождений нефти и газа на режиме есте ственного истощения происходят процессы объемного сжатия пор и переупаковки отдельных гранул и зерен, что вызывает уп лотнение продуктивных пород-коллекторов. Указанный меха низм, как отмечают практически все исследователи, является ос новным при рассмотрении эффекта оседаний земной поверхно сти над месторождениями углеводородов. Дополнительное уп лотнение может возникать при инфильтрации воды из кровли в пласт, дегидратации глин в покрывающей толще, образовании суффозионных воронок и т.д., но эти явления чаще всего имеют вторичный характер [26]. Поэтому при прогнозе оседаний земной поверхности центральным моментом является определение вели чины уплотнения коллектора. В общем случае величина уплот нения зависит от падения пластового давления, мощности про дуктивного слоя, физико-механических свойств вмещающих по род и пород-коллекторов.
Так как нефтегазовые месторождения имеют значительные размеры в плане, то при рассмотрении процесса уплотнения час то полагают, что коллектора деформируются в одноосном режи ме, т.е* при отсутствии или незначительном развитии деформа ций в горизонтальном направлении (одномерное уплотнение). Поэтому способность породы к уплотнению характеризуют ко эффициентом одномерного уплотнения см, который определяется в одометрических испытаниях. Цилиндрический образец высотой h нагружается осевой нагрузкой Даг^ при подавлении радиаль ных деформаций. Если изменение высоты образца составит ДА, то
= Ah/h |
(3.3.1) |
|
Дстлг |
||
|
Пр** этом предполагается, что поровое давление не должно изменяться, или нагрузка должна возрастать достаточно медлен но для полного дренажа жидкости из образца.
Для упругой изотропной породы коэффициент одномерного уплотнения можно найти через модуль упругости Е и коэффици ент Пуассона v
с„ = (1 + v) (1 - 2v)/[£(l - v)]. |
(3.3.2) |
В пластовых условиях изменение порового давления при до быче трактуется как нагрузка на матрицу коллектора в соответ ствии с принципом эффективных напряжений
а' = о'0**' - ар, |
(3.3.3) |
где G total, G ' - соответственно общее и эффективное напряжения; р - поровое давление; а - коэффициент Био [45].
Коэффициент Био определяется следующим образом: |
|
а = 1 - KB/K G, |
(3.3.4) |
где Кв - модуль объемной упругости пористого материала; KG ~ модуль объемной упругости материала зерен, формирующих по роду. Для упругой изотропной породы К = £/[3(1 - 2v)] и соот ветственно
а |
= i - Е л = t £д(1~2ус ) |
(3.3.5) |
Например, для |
песка KG приблизительно равен 60000 |
МПа. |
Для грунтов и слабых пород Кв обычно много меньше KG, по этому часто принимают а = 1. На больших глубинах объемный модуль упругости тех же песков может достигать 10000 МПа, т.е. уже нельзя считать, что Кв « KG. Это означает, что а меньше 1 и при падении давления на 1 МПа увеличение эффективного вертикального напряжения будет меньше, чем 1 МПа, хотя часто этого не учитывают.
Исходя из определения параметра см, можно найти одномер ное уплотнение Ас упругого изотропного коллектора по формуле
дс - С .*алр - |
(3.3.6) |
где h - мощность коллектора; Ар - падение давления.
Для коллектора ограниченных размеров величина уплотнения будет также зависеть от упругих свойств покрывающих и под стилающих пород, от соотношения размеров коллектора и глуби ны его залегания. В свою очередь величина оседаний земной по верхности не соответствует напрямую Ас, а также зависит от размеров коллектора, его глубины и свойств пород. В работе [23] предлагается определять максимальное уплотнение и оседание
земной поверхности следующим образом: |
|
Ас = Ci см haAp\ |
(3.3.7) |
л = с2Д с[2(1 - v c)] 1- |
Р |
(3.3.8) |
Ч |
/1 + Р" |
|
где ci, С2 - коэффициенты, зависящие от упругих свойств покры вающих пород и коллектора, глубины коллектора и его размеров; vc - коэффициент Пуассона покрывающих пород; р = H/R - от ношение глубины коллектора к его радиусу.
С помощью соотношений (3.3.7) и (3.3.8) А.С. Мазницкий и Л.М. Середницкий исследовали влияние упругих свойств кол лектора и его размеров на оседания земной поверхности [23, 24]. Рассматривались различные варианты: песчаник или карбонат ный коллектор, глубина пласта 3,8, 4,0 и 4,2 км, мощность пласта 600, 1100 и 1600 м, радиус 15, 20 и 25 км, падение давления 20 МПа. В качестве отдельных зерен для песчаника принимали кварц, для карбонатного коллектора - кальцит. Упругие свойства песчаника варьировались в следующих пределах: Ев = = 20000+40000 МПа, vB= 0,19+0,35, Ес = 69000+94000 МПа, vG = = 0,19+0,35. Свойства карбонатного коллектора варьировались следующим образом: Ев= 50000+90000 МПа, vB = 0,19+0,33, Ес = = 85000+96000 МПа, vc = 0,26+0,28.
При данных параметрах уплотнение коллекторов и оседания поверхности получились небольшими. Так, при мощности 1600 м уплотнение песчаного коллектора составляет от 0,032 до 0,42 м в зависимости от принятых упругих свойств и параметра р. Оседа ния поверхности при этом составляют от 0,017 до 0,248 м. Для карбонатного коллектора эти значения меньше. Отмечается, что максимальное уплотнение возникает при минимальных значени ях модуля Юнга и коэффициента Пуассона для коллектора и максимальных этих же параметрах для его отдельных зерен.
Параметр Р = H/R в расчетах изменялся от 0,17 до 0,25. Это вызывает изменение оседаний поверхности в пределах 10 %. При прочих равных условиях оседания поверхности уменьшаются при увеличении глубины залегания коллектора. Оседания также уменьшается при увеличении жесткости покрывающих пород и при уменьшении размеров коллектора в плане [23]. Указанное явление уменьшения оседаний поверхности часто называют арочным эффектом.
Кром£ максимальных оседаний, важное значение имеет опре деление других параметров мульды сдвижения, т.е. ее размеров, характер^ распределения деформаций и т.д. Для этого использу ются аналитические и численные методы расчета. Аналитические способы аналогичны методам расчета оседаний над подземными горными выработками пологого залегания, которые разработаны
С.Г. Авершиным, Р.А. Муллером, Е. Литвинишиным [1, 19]. Они основаны на фундаментальном решении дифференциального уравнения сдвижений параболического типа. В наиболее полном виде это уравнение рассмотрено Е. Литвинишиным
dr\/dz = a(z) (&т\/до? + |
/ду2) + J |
(3.3.9) |
где г\ - оседания поверхности; a(z) - коэффициент, характери зующий изменение свойств горных пород по вертикали; / - уве личение объема пород при деформировании (объемная деформа ция). Уравнение (3.3.9) следует из стохастической теории де формирования сыпучих сред и используется для описания гео метрии мульды сдвижения в слоистых осадочных породах.
Для выработки (коллектора) правильной геометрической формы может быть получено замкнутое аналитическое выраже ние для оседаний земной поверхности (Ю.П. Борисов [3], [3, 23, 24]. Так, Ю.П. Борисовым рассмотрен случай кругового коллек тора радиусом R. Предполагалось, что пласт залегает горизон тально, а его кровля оседает равномерно на величину г\0. В этом случае выражение для оседаний имеет следующий вид:
л(*. у, z) =у Jgo(*-^. *)|ф 7д2-х 2- у |
+ ф |
4к2- х 2+у dX, |
|||
|
|
|
2JW) |
|
2-Щг) |
где |
|
|
|
|
|
&>(*. z) |
- |
1 |
ехр |
|
(3.3.10) |
2^кА(г) |
|
||||
|
|
A A ( z ) \ |
|
||
Ф(и) = |ехр(-м2)<& -
интеграл вероятностей;
A(z) = ja(z)dz.
О
Для коэффициента a(z) используется формула С.Г. Авершина
a(z) = (0,15+0,18)Я,
где Я - глубина разработки.
150
Приводится следующий пример: круговой пласт радиусом R = = 1000 м, оседание кровли пласта т\0 равномерное и составляет 2 м. Если пласт находится на глубине 1000 м, то максимальное оседание поверхности над центром пласта составляет 1,879 м. Граница мульды сдвижения (нулевые оседания) находится на расстоянии 1700 м от центра пласта. Если пласт находится на глубине 1500 м, то максимальное оседание составляет 1,433 м, а граница мульды сдвижения удалена на 1900 м от центра.
Также Ю.П. Борисовым рассмотрен более общий случай, ко гда оседание кровли имеет неравномерный характер и определя ется величиной падения давления Ар в рассматриваемой точке коллектора. В этом случае для расчета оседаний необходимо численное интегрирование уравнения сдвижений (3.3.9). Величи ну оседания кровли Ю.П. Борисов находил по упрощенной фор муле (3.3.6)
Ло = СмhAp.
Величина Ар находится по известным формулам упругого ре жима разработки. В качестве примера Ю.П. Борисовым приведе ны расчеты оседаний при отработке нефтяного пласта круговой батареей скважин [3].
Например, в одном из вариантов расчетов рассматривалась отработка нефтяного пласта на глубине 1 км круговой батареей скважин с линейно возрастающим в течение 5 лет дебитом от 0 до 40000 м3/сут. Радиус круговой батареи скважин 3 км, коэф фициент сжимаемости пласта 2*10"5 1/ат, коэффициент сжимае мости нефти 1-КГ4 1/ат, вязкость нефти 5 сП, коэффициент по ристости пласта 0,2, проницаемость 0,1 Д. В данных условиях оседание кровли коллектора в центре батареи скважин составило 5,5 см. Максимальное уплотнение 8,9 см отмечается на удалении от центра, равном радиусу батареи скважин. Там же отмечается и максимальное оседание поверхности, равное 8,3 см. Граница мульды сдвижения удалена от центра на 9 км.
Указанный способ расчета оседаний является весьма простым и удобным для практического применения. Недостатки метода также очевидны. По существу, расчет оседаний состоит из двух отдельных задач. На первом этапе каким-либо образом определяетсЛ уплотнение коллектора, на втором - проводится интегриро вание уравнения (3.3.9). Дифференциальное уравнение сдвиже ний (3.3.9) нельзя использовать, если в массиве горных пород имеются какие-либо структурные неоднородности (тектониче ские нарушения, контакты разномодульных пород и т.д.). Кроме того» напряженное состояние коллектора и вмещающих пород не рассматривается или рассматривается отдельно каким-либо уп