Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

можны при сохранении существующих темпов отбора газа из сеноманских и неокомских отложений без поддержания пласто­ вого давления. При снижении темпов отбора газа, при организа­ ции мероприятий по поддержанию пластового давления величи­ ны оседаний будут меньше.

Результаты выполненных расчетов оседаний были использо­ ваны при разработке проекта реконструкции Уренгойского геодинамического полигона.

Астраханское газоконденсатное месторождение

Астраханское газоконденсатное месторождение в тектониче­ ском отношении приурочено к одноименному своду, являющему­ ся структурой первого порядка и расположенному в южной час­ ти Прикаспийской синеклизы. Центральная часть свода ослож­ нена рядом локальных поднятий. Ширяевское поднятие, к кото­ рому приурочено Астраханское месторождение по данным сейсморазведочных работ представляет собой куполовидную структуру неправильной формы. Свод структуры оконтуривается изогипсой минус 4000 м, размеры структуры 36x25 км [27].

Продуктивные породы башкирского яруса представлены раз­ личными типами известняков - органогенно-обломочными, детритовыми, водорослевыми и т.д. Внутреннее строение башкир­ ской толщи характеризуется пластовым распространением по­ ристых, слабо пористых и в меньшей степени, плотных разностей карбонатных пород с тонкими прослоями аргиллитов. Вся толща пород пронизана макро- и микротрещинами. Раскрытость трещин продуктивной части АГКМ колеблется от долей мкм до первых десятков мкм. При этом трещиноватость оказывает наибольшее влияние на фильтрационные свойства пород с пористостью ниже 8-9 %.

Пористость пород-коллекторов изменяется от 3 до 18 %, про­ ницаемость - от 0,02 до 1,0*10“15 м2, реже до 10-10"15 м2. Откры­ тая пористость коллекторов по керну составляет в среднем 11,7 %, средняя газонасыщенность - 43,5 %. По геофизике сред­ няя пористость коллекторов равна 10,9 %, средняя газонасыщен­ ность - 80,0 %. Общая мощность продуктивного горизонта составляет в среднем 175,6 м, эффективная мощность коллекто­ ров - в среднем 111,8 м. Начальное пластовое давление в зале­ жи - 630 кгс/см2, пластовая температура 109 °С.

При составлении расчетной схемы месторождения выделялась карбонатная толща с газоконденсатной залежью, соляные породы кунгурских отложений и слоистая покрывающая толща, состоя­ щая из чередования известняков, глин и песчаников.

Исследования, проведенные на образцах керна продуктивных пород, показали весьма высокие упругие и прочностные свойства известняков: асж - 76,2 МПа, ар = 4,7 МПа, £ст = 26,8 ГПа, Етл = - 19,4 ГПа.

Значительную долю геологического разреза занимают кунгурские отложения, представленные каменной солью. Физико­ механические свойства соляных пород на территории АГКМ в свое время изучались для целей проектирования и строительства подземных резервуаров в соляной толще Сеитовского поднятия. Определялись плотность, предел прочности на одноосное сжатие при быстром нагружении коэффициент сцепления с и угол внутреннего трения ф, модуль упругости и коэффициент Пуассо­ на. Также изучались реологические характеристики. Были полу­ чены значения: стсж = 25,7 МПа, Е = 17,6 ГПа, v = 0,27. Обработка кривых ползучести показала, что они удовлетворительно аппроксимируются уравнением вида (2.2.24) с ядром ползучести Абеля, но параметры 5 и а зависят от уровня нагружения. Эти зависимости можно описать эмпирическими соотношениями:

а = 1,13 - 0,55(а/асж);

8 = -0,12 + 0,55(а/асж).

Перекрывающая соляные породы слоистая толща рассматри­ валась как один тип пород, поскольку ее подробное рассмотрение в связи с неопределенностью контактов слоев и их свойств пред­ ставляется нецелесообразным. Механические свойства покры­ вающей толщи оценивались по данным акустического каротажа скважин с учетом того, что отношение модулей упругости двух пород равняется отношению квадратов скоростей упругих волн, т.е., зная упругие свойства некоторого «базового» слоя, можно определить свойства остальных пород по значениям скоростей упругих волн. При этом в качестве «базовых» использовались карбонатные породы. Упругие свойства карбонатных пород в массиве оценивались по зависимости З.Т. Бенявски, представ­ ленной в главе 1. Определенные таким образом значения физи­ ко-механических свойств разновидностей пород, присутствующих на расчетной схеме, показаны в табл. 3.7.1.

Вследствие низкой пористости, высоких упругих и прочност­ ных свойств коллектора его деформирование при существующем падении давления можно описать в рамках упругой модели. Оценочные расчеты показывают, что величины оседаний земной поверхности ожидаются сравнительно невысокими - в пределах 0,2 м. Это также обусловливает преимущественно упругий харак­ тер деформирования вмещающих пород, в том числе соленосных

Таблица 3.7.1

Физико-механические свойства горных пород массива АГКМ

отложений кунгурской свиты. Проверочные расчеты показывают, что учет реологических свойств каменной соли слабо влияет на оседания поверхности. Данное положение не относится к расчету локальных участков соляного массива, например, при анализе поведения массива в окрестности скважин. Также сложная соля­ но-купольная тектоника кунгурских пород ограничивает возмож­ ность использования плоских конечно-элементных моделей.

Поэтому для прогноза напряженно-деформированного со­ стояния горного массива АГКМ была создана объемная конечно­ элементная модель участка месторождения размером 45x30x7 км (рис. 3.7.3). Модель соляных пород построена по структурным картам кунгурских отложений, продуктивный пласт мощностью 100 м находится на глубине 4000 м. Размеры модели (с учетом выполнения статических граничных условий) определяются раз­ мерами участка, вовлеченного в отработку в настоящее время.

На первом этапе был выполнен расчет оседаний земной по­ верхности по состоянию на начало 2000 г., т.е. действующие на­ грузки определялись по карте изобар на 01.01.2000 г. Полученная мульда сдвижения имеет максимальное оседание «110 мм, зона максимальных оседаний соответствует зоне наибольшего падения давления. На краях расчетной области имеются незначительные поднятия, обусловленные упругими свойствами пород. Получен­ ные величины оседаний в районе линии глубинных реперов 16/76-13/73 составляют 70-80 мм, в то время как замеренные на лето 1999 г. оседания составляют 30-34 мм. Эту разницу можно объяснить тем обстоятельством, что замеренные оседания соот­ ветствуют интервалу времени 1993-1999 гг. (1993 г. - закладка профильной линии и начальная серия инструментальных наблюдений), в то время как расчет соответствует оседаниям с 1986 по 2000 г. Если промоделировать оседания, вызванные падением пластового давления в период с 1986 по 1993 г., то получается величина, близкая к 40 мм. Это свидетельствует о том, что принятые в расчетах свойства массива и модель его поведения близки к действительности. Полученная в расчетах

область сдвижений захватывает основные промышленные и гра­ жданские сооружения АГКМ, хотя сами величины оседаний не­ значительны.

Следующим этапом явился прогноз оседаний поверхности при отработке АГКМ на 2010 г. Как всегда в таких случаях, ос­ новной проблемой является определение прогнозного падения давления, поскольку именно от него зависит степень развития деформационных процессов. Согласно данным ВНИИгаза, среднее пластовое давление на 2000 г. составляет 53 МПа, а на 2010 г. оно составит 42 МПа. Поэтому в расчетах использовалось пластовое давление, уменьшенное в соответствующих точках приложения нагрузки пропорционально 11 МПа. При этом внешняя граница области падения пластового давления остава­ лась неизменна, а максимальная изобара падения пластового давления составила 33 МПа. Естественно, что подобная картина распределения давления на 2010 г. достаточно условна, однако она в первом приближении отражает предполагаемую карту изо­ бар и позволяет оценить величины ожидаемых сдвижений.

Расчеты показывают, что в этом случае на земной поверхно­ сти образуется мульда сдвижения с участком плоского дна и максимальным оседанием «200-210 мм (рис. 3.7.4). Зона макси­ мальных оседаний соответствует зоне наибольшего снижения пластового давления, а в районе Астраханского газоперерабаты­ вающего завода (АГПЗ) прогнозные оседания поверхности со­ ставляют 100-150 мм.

Подобные оседания при размерах мульды сдвижения в десят­ ки километров не могут создать деформаций, опасных для по­ верхностных сооружений. Однако сам факт того, что в зоне влияния отработки газа находится такой сложный и ответствен­ ный объект, как АГПЗ, требует постановки специальных марк­ шейдерско-геодезических инструментальных наблюдений. Ре­ зультаты моделирования были использованы как первичные данные для организации маркшейдерско-геодезического полигона на территории АГКМ [18].

3.8. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МОНИТОРИНГУ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ

Цели и задачи наблюдений при разработке нефтегазовых ме­ сторождений в общем остаются теми же, что и при добыче твер­ дых полезных ископаемых, однако добыча углеводородного сы­

рья вносит свои особенности. Мировой опыт показывает, что мульда сдвижения в целом приобретает довольно плавный ха­ рактер, и в большинстве случаев вследствие малости величин вертикальных и горизонтальных деформаций процесс сдвижения при добыче нефти и газа не оказывает серьезного влияния на поверхностные и подземные объекты в классическом (статиче­ ском) смысле. Действительно, те незначительные величины осе­ даний поверхности (в пределах 100-200 мм), вызванные добычей нефти на месторождениях, не могут нарушить нормальную экс­ плуатацию расположенных на земной поверхности сооружений и объектов как нефтяного хозяйства, так и промышленных и граж­ данских объектов. Простейшие расчеты свидетельствуют, что ес­ ли максимальное оседание составляет 100 мм, то максимальный наклон, определенный по приближенной формуле для расчета вероятных сдвижений и деформаций, применяемой для угольных и сланцевых месторождений [14, 31], составит 0,05 мм/м. При­ няв, что максимальное горизонтальное сдвижение также составит 100 мм (в условиях горизонтального залегания пласта оно не может быть больше максимального оседания), максимальная го­ ризонтальная деформация, определенная по формуле [31]

составит 3,5-10-2 мм/м.

В этой формуле а - угол падения залежи (а = 0°); г|м - мак­ симальное оседание земной поверхности; Я - глубина разработки (Я = 2000 м).

Для сравнения следует отметить, что средние деформации, при которых промышленные и гражданские объекты начинают терять нормальную эксплуатацию, составляют: i = 4 мм/м, е = * 2 мм/м [31], т.е. в десятки раз большие величины.

Тем не менее, несмотря на достаточно высокую надежность методов прогноза, разработанных отечественными и зарубежны­ ми специалистами, если добыча нефти выполняется в непосред­ ственной близости от промышленной и многоэтажной граждан­ ской застройки, должен быть осуществлен инструментальный контроль развивающихся деформаций. Это положение является нормой цивилизованной разработки месторождений полезных ископаемых, принятой практически во всех странах и озвученной в нашей стране в соответствующих нормативных документах Ростехнадзора России. Дополнительным существенным факто­ ром в пользу проведения инструментальных наблюдений являет­ ся наличие суперинтенсивных деформаций, приуроченных к

структурным неоднородностям массива горных пород, которЬ1е практически не поддаются расчетам и прогнозам.

Маркшейдерско-геодезический мониторинг сдвижений земной поверхности на месторождении нефти или газа осуществляется по проекту. Состав проектной документации должен соответст­ вовать пункту 253 «Инструкции по производству маркшейдер, ских работ» [12]. В связи с этим ниже излагаются основные По­ ложения маркшейдерско-геодезического мониторинга развиваю­ щихся деформаций, которые имеют характер рекомендаций. От­ метим, что наиболее обстоятельно данные вопросы разработаны в нормативном документе [13], регламентирующем создание На­ блюдательных станций и выполнение инструментальных наблю­ дений на нефтяных месторождениях, территориально совмещен­ ных с Верхнекамским месторождением калийно-магниевых солей.

3.8.1. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Проект маркшейдерско-геодезического мониторинга сдвиже­ ний земной поверхности на месторождении состоит из поясни­ тельной записки и графических материалов. Пояснительная за­ писка Проекта должна содержать: введение, краткие сведения о районе работ, геологическую и технологическую характеристику объекта, результаты геоморфологических и аэрокосмогеологических исследований, геологическую характеристику подрабаты­ ваемых месторождений полезных ископаемых (например, калий­ ных и соляных отложений), структурное построение наблюда­ тельной станции, методы и периодичность высокоточных плано­ вых и высотных геодезических измерений; сметно-финансовый расчет.

Во введении должны быть раскрыты цель и задачи, которые решаются с помощью наблюдений на полигоне, помещается пе­ речень вопросов, который предполагается решить по результа­ там наблюдений.

В кратких сведениях о районе работ приводится физикогеографический очерк района работ, сведения о гидросети, релье­ фе, растительности, дорожной сети. Здесь же следует привести сведения о геодезической изученности района и имеющихся то­ пографических картах и планах, а также поместить информацию об уже имеющихся результатах геодинамических наблюдений прошлых лет и соседних действующих геодинамических полиго­ нах, организации проводившей наблюдения.

Краткая геологическая характеристика района работ должна содержать сведения о структуре пород, слагающих осадочный чехол, информацию о породах, ставших ловушкой нефти, разре­ зы по профильным линиям с геологической характеристикой вмещающих ловушку пород и всей вышележащей толщи до дневной поверхности в масштабе неотектонической карты. Здесь же приводится характеристика нефтеносных структур и коллек­ торских свойств продуктивных пластов, сведения о запасах, ве­ личины начальных пластовых давлений, сведения о падениях и перекомпенсации пластовых давлений на момент составления проекта.

С особой тщательностью должны быть определены гра­ ница водонефтяного контакта по каждому из продуктивных объ­ ектов, а также положение забоев действующих и проектных скважин.

Результаты геоморфологических и аэрокосмогеологических исследований должны содержать такие данные, как гидрография, растущие овраги, оси водоразделов, временные водотоки, седло­ вины, явные остаточные высоты, пойменные уровни, аккумуля­ тивные надпойменные уровни, эрозионно-денудационные по­ верхности пологих склонов, разрывные нарушения осадочного чехла, границы мезоблоков, разломы фундамента, внутриблоковые линеаменты.

В технологической характеристике объекта отражаются сведе­ ния о состоянии обустройства и степени разработки месторожде­ ния, числе и назначении действующих скважин, местоположении основных коридоров коммуникаций и промышленных площадок по данным исполнительной съемки.

В Проекте должны быть отображены структурное построение сети, оценка точности и установление ее достаточности и плани­ руемая методика наблюдений. Организация, выполняющая на­ блюдения, при проведении измерений и составлении отчета по каждому циклу наблюдений должна придерживаться проекта маркшейдерско-геодезического мониторинга.

Графическая часть Проекта должна состоять из плана наблю­ дательной станции в масштабе 1:10000, 1:25000, геологических разрезов по профильным линиям (в том же масштабе) и черте­ жей конструкции реперов. Вся картографическая информация, сопровождающая Проект, должна быть представлена заказчику Проекта в цифровом виде. Созданная в рамках проекта цифровая картографическая основа должна иметь основное назначение - облегчить задачу анализа параметров процесса сдвижения земной поверхности и взаимного расположения существующих и про­ ектных скважин и линейных сооружений и выделенных структур