Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

Общий 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

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

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