Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

Рис. 3.6.6. Зависимость оседания точек на земной поверхности от модуля упругости карбонатных пород

графиках сливаются в одну линию (т.е. граничные углы стано­ вятся одинаковыми) при модуле упругости карбонатных пород, начиная с 6000 МПа. При этом граничный угол сдвижения получается равным *63°, что хорошо соответствует минимально­ му значению из инструментально зафиксированных величин 65°. Таким образом, при модуле упругости карбонатных пород 6000 МПа наблюдается хорошее соответствие расчетных и экспе­ риментальных параметров процесса сдвижения - максимального оседания и граничного угла сдвижения. Соответствующие этой величине значения физико-механических свойств остальных по­ род разреза показаны в табл. 3.6.1.

Как показано на рис. 3.6.8, при использовании этих парамет­ ров расчетные оседания земной поверхности удовлетворительно соответствуют замерам на наблюдательных станциях и их можно использовать для прогноза напряженно-деформированного со­ стояния горного массива при добыче нефти.

Выполненные расчеты показывают весьма незначительные оседания земной поверхности. При существующих параметрах коллекторов Верхнекамских нефтяных месторождений (суммар­ ная мощность 40-50 м, пористость 10-20 %), их высоких прочно­ стных и низких компрессионных свойствах максимальные оседа­ ния земной поверхности не должны превысить'100 мм. Оседания подобной величины не представляют опасности для поверхност-

3.6.2. ВЛИЯНИЕ ДОБЫЧИ НЕФТИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КАЛИЙНОЙ

ЗАЛЕЖИ

Напряженное состояние соляного массива при отсутствии аномальных особенностей строения водозащитной толщи

Результаты численного моделирования оседаний земной по­ верхности при добыче нефти показывают, что основные измене­ ния напряженно-деформированного состояния горного массива происходят на уровне продуктивных коллекторов, т.е. на глубине «2000 м. Мировой и отечественный опыт изучения деформаци­ онных процессов при разработке месторождений полезных иско­ паемых свидетельствует о том, что все основные изменения де­ формированного состояния массива (разрушения пород, интен­ сивные сдвиги и расслоения) происходят в непосредственной близости от выработанного пространства [1, 19, 41]. На уровне калийной залежи (глубина «300 м) изменения напряженнодеформированного состояния крайне незначительны и не долж­ ны существенным образом сказаться на состоянии как калийных пластов, так и водозащитной толщи. Тем не менее, в связи с осо­ бой важностью этот вопрос был исследован более подробно.

На первом этапе был выполнен расчет оседаний земной по­ верхности при разработке нефтяного месторождения с учетом ползучести соляных пород калийной залежи, так как известно, что соляные породы обладают ярко выраженными реологически­ ми свойствами. Расчеты выполнялись в программном комплексе ANSYS. В соответствии с указаниями Методических рекоменда­ ций [25] соляные породы (каменная соль, сильвинит, карналлит) рассматривались как линейно-наследственная среда с ядром пол­ зучести Абеля

(3.6.1)

о

где K(t, т) = 8 (t - тГ 1 - ядро ползучести.

Значения параметров ядер ползучести приведены в Методи­ ческих рекомендациях [25]: а = 0,7; 8 = 0,005са_1.

Задача решалась в следующей постановке. Из общей расчет­ ной схемы (рис. 3.6.9) вырезалась верхняя часть от поверхности до кровли слоя карбонатных пород. На границах вырезанного фрагмента задавались перемещения, полученные при расчете оседаний при добыче нефти, и решалась задача расчета НДС мас­ сива с учетом реологических свойств соляных пород (рис. 3.6.10).

ясь потенциальным источником разрушений. Хотя при разработ­ ке нефтяных месторождений величины деформаций соляного массива весьма невелики, тем не менее следует оценить возмож­ ность расслоений и сдвигов по контактам слоев.

В соляных породах ВКМКС встречаются в основном два вида контактов: глинистый и смешанный (глина с каменной солью) [25]. В нормативных документах механическую модель такого контакта рекомендуется принимать в виде трехзвенной кусочно­ линейной аппроксимации и = / (т, а), где и - сдвиг по контакту; т, ст - соответственно касательное и нормальное напряжения. На рис. 3.6.11 представлена данная зависимость для некоторого а = const.

Основными параметрами являются: тр, ир - пиковая прочность контакта и соответствующее касательное смещение; т*, и - остаточная прочность контакта и соответствующее касательное смещение; ks t km - соответственно сдвиговая жесткость контакта и жесткость разупрочнения. Усредненные параметры контактов согласно Методическим рекомендациям [25] приведены в табл. 3.6.2.

Исследование процесса деформирования контактов слоев в

Рис. 3.6.12. Эпюры перемещений по контактам слоев: / - контакт в почве; II - контакт в кровле

нено в программном комплексе ANSYS. С этой целью в расчет­ ную схему, (см. рис. 3.6.9), были дополнительно введены кон­ такт-элементы, моделирующие контакты слоев по изложенной механической модели. Контакт-элементы были введены в нижней части продуктивной толщи на контакте с подстилающей камен­ ной солью и в верхней части на контакте с соляно-мергельной толщей. Конечно, подобная идеализация слоистой структуры соляного массива является приближенной, но она позволяет оценить порядок деформаций, возникающих на контактах слоев под влиянием добычи нефти. Сдвиговая жесткость контакта принималась равной 3,0 ГПа/м, т.е. минимальному значению (см. табл. 3.6.1). Схема нагружения оставалась прежней, т.е. задава­ лись перемещения, полученные при расчете оседаний при добыче нефти.

Анализ полученного в результате расчета напряженнодеформированного состояния показывает, что в контактэлементах не возникает растягивающих напряжений, т.е. рас­ слоений массива по контактам слоев не происходит. Касательные перемещения по контактам также весьма невелики. На рис. 3.6.12 показаны эпюры касательных перемещений по верхнему и ниж­ нему контактам слоев. Наибольшие перемещения возникают в краевой части мульды сдвижения, а на участке плоского дна сдвиги по контактам слоев отсутствуют. Величины сдвигов на контакте продуктивной толщи с подстилающей каменной со­ лью несколько выше, чем на контакте в верхней части с соляно­ мергельной толщей. Максимальная величина сдвига составляет »0,011 мм. В то же время величина сдвига ир1 соответствующая предельной прочности контакта, составляет 0,3-2,3 мм (см.

достаточно упругой модели горного массива. Результаты расче­ тов иллюстрируются на рис. 3.6.14, где приведен прирост напря­ жений в сильвинитовых целиках после отработки нефтяного ме­ сторождения. Указанные величины крайне незначительны. Мак­ симальный прирост напряжений составил 0,03 МПа, что состав­ ляет около 0,5 % от исходного уровня напряжений.

Таким образом, выполненные расчеты еще раз подтверждают, что сдвижения и деформации, вызванные отработкой нефтяного месторождения, вследствие своей малости практически никак не сказываются на напряженно-деформированном состоянии про­ дуктивной толщи ВКМКС и не влияют на состояние конструк­ тивных элементов системы разработки калийных рудников.

Расчеты сотрудников ГИ УрО РАН (А.А. Барях и др.) влия­ ния добычи нефти на изменение геодинамической обстановки в районе калийной залежи при отработке месторождения им. Ар­ хангельского также дали прирост напряжений порядка 0,3-0,5 % от исходного уровня напряжений.

Влияние аномальных особенностей строения водозащитной толщи на НДС калийной залежи

Сохранность водозащитной толщи является основным усло­ вием безопасной отработки ВКМКС. В предыдущем разделе по­ казано, что добыча нефти весьма незначительно влияет на со­ стояние горного массива ВКМКС. Тем не менее этот вопрос был рассмотрен более детально для случая аномальных особенностей строения водозащитной толщи. Задача заключалась в анализе возможности концентрации деформаций на контактах различных геологических неоднородностей - аномальных особенностей ВЗТ и оценке степени их опасности. Было рассмотрено геомеханическое поведение наиболее крупных и опасных аномальных осо­ бенностей строения ВЗТ, относящихся к первой группе: откры­ тых секущих трещин в ВЗТ2 и различного рода разрывных дис­ локаций - сбросов, листрических разрывов, сдвигов [8]. При этом, как отмечается в Методических рекомендациях [25], если нормальные сбросы на рудниках ВКМКС образуются только в отработанных пространствах среди структур деформирования междукамерных целиков, то сдвиги и надвиги более распростра­ нены от микроструктур до региональных зон сдвиговых дисло­ каций.

Известно, что различие физико-механических свойств основ­ ного массива и зон ослабления (зон дислокаций) порождает весьма неравномерное распределение тензора напряжений, кото­ рое может быть усилено техногенным воздействием на массив.