Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

Расстояния по периметру линии от куста опорных реперов I-II-III, км

Рис. 3.9.3. Графики оседаний реперов по профильной линии On. Rpl - On, RpV наблюдательной станции Сибирского месторож­

дения:

/ - 1999-2002 гг.; II - 1999-2004 гг.; III - 1999-2006 гг.; IV - контур нефтеносности; V- кривая предельных с.к.п. полученных

оседаний

13. Инструкция по созданию наблюдательных станций и производст­ ву инструментальных наблюдений за процессами сдвижения земной поверхности при разработке нефтяных месторождений в регионе Верх­ некамского месторождения калийно-магниевых солей (В К М К С ). - Пермь: изд. ПермГТУ, 2003. - 34 с.

14.Иофис М Л ., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подзем­ ных разработках. - М : Недра, 1985. - 248 с.

15.Кашников Ю Л . Научные основы разработки методов прогноза параметров деформирования подрабатываемых скальных массивов мощ­ ных крутопадающих рудных месторождений. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. д-ра. техн. наук. - М., 1992. - 35 с.

16.Кашников Ю Л ., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом

17.Кашников Ю Л ., Ашихмин С.Г., Катошин А .Ф . Изменение напря­ женно-деформированного состояния горного массива при добыче нефти

вупругом режиме//Нефтяное хозяйство. - 1999. - № 8. - С. 30-33.

18.Кудряшов А.И. Минерально-сырьевые ресурсы Пермского края. Энциклопедия. Изд. Красная площадь. - 2006. - 464 с.

19.Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых

сооружений. - М.: Недра, 1978. - 494 с.

20.Кузьмин Ю .О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. - М.: Агентство экономических но­ востей, 1999. - 220 с.

21.Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации

физических свойств горных пород. - М.: изд. Моек. гос. горного ун-та, 2004. - 262 с.

22.Лазарев Г.Е., Самошкин Е.М. Основы высшей геодезии. - М.: Не­ дра, 1980. - 424 с.

23.Мазницкий А.С., Середницкий Л.М. Влияние параметров упругости пород на уплотнение коллектора и оседание земной поверхности при

разработке нефтяных месторождений//Нефтяное хозяйство. - 1991. -

№6. - С. 14-16.

24.Мазницкий А.С., Середницкий Л.М. Прогнозирование и оценка де­ формаций коллектора и вмещающих его пород при разработке месторо­ ждений нефти и газа//Геодинамическая и экологическая безопасность

при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении. III Международное рабочее совещание. - СПб., 2001. - С. 210-214.

25.Методические рекомендации к «Указаниям по защите рудников от затопления и охране объектов в условиях Верхнекамского месторож­ дения калийных солей. - СПб., 2004.

26.Механика горных пород применительно к проблемам разведки и

добычи нефти. - М.: М ИР. Эльф-Акитен, 1994.

27.Перепеличенко В.Ф. и др. Разработка нефтегазоконденсатных ме­ сторождений Прикаспийской впадины. - М.: Недра, 1994. -364 с.

28.Повышение эффективности освоения газовых месторождений

крайнего севера. - М.: Наука, 1997. - 655 с.

29. Постное А.В., Рамеева Д.Р., Рожков В И. Эманационная съемка при решении эколого-геодинамических задач//Разведка и освоение неф­ тяных и газоконденсатных месторождений. Астрахань: АстраханъН И Пигаз, 2001. - С. 306-308.

30. Правила закладки центров и реперов на пунктах геодезической и нивелирной сети. - М.: Геодезиздат, 1993.

31.Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - СПб.: изд. В Н И М И , 1998. - 291 с.

32.Правила промышленной безопасности при освоении месторожде­ ний нефти на площадях залегания калийных солей. Постановление Гос­ гортехнадзора России от 4.02.2002 г. за № 8.

33.Природные резервуары углеводородов и их деформации в процес­ се разработки нефтяных месторождений//Тезисы докладов конферен­ ции. - Казань, 2002.

34.Проблемы освоения месторождений Уренгойского комплекса. - М.: Недра, 1998. - 464 с.

35.Руководство по геодинамическим наблюдениям и исследованиям для объектов топливно-энергетического комплекса. - М.: НПЦ . Геоди­ намика и экология, 1997. - 123 с.

36.Руководство по созданию и реконструкции городских геодезиче­ ских сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. -М .:

ЦНИ И ГА иК, 2003. - С. 182.

37.Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной ме­ таллургии. - Екатеринбург: изд. УрО РАН, 1999. - 268 с.

38.Сидоров В А ., Хитрое В.М., Кузьмин Ю.О. Концепция геодинамической безопасности освоения углеводородного потенциала недр Рос­

сии. - М.: изд. М ГГРИ, 1998.

39.Спутниковый мониторинг земной поверхности/К.М. Антонович, А.П. Карпик, А.Н. Клепиков//Геодезия и картография. - 2004. - № 1.

40.Тупысев М .К. Техногенные деформационные процессы при разра­ ботке газовых месторождений. - М.: РАО «ГАЗПРОМ», 1997.

41.Турчанинов И.А., Иофис М Л ., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - М.: Недра, 1989. - 332 с.

42.Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Не­ дра, 1987. - 221 с.

43.Шадрин А.Г. Теория и расчет сдвижений горных пород и земной поверхности. - Красноярск: изд. Красноярского гос. ун-та, 1990. - 199 с.

44.Ященко В.Р. Геодезические исследования вертикальных движений земной коры. - М.: Недра, 1989. - 192 с.

45.Biot М.А. General theory of tree-dimensional consolidstion. J. Appl. Phys. 1941, 12, pp. 155-164.

46.Boade R.R., Chin L.Y., Siemers W.T. Forecasting of Ekofisk Reservoir Compaction and Subsidence by Numerical Simulation. Journal of Petroleum

technology. July 1989, pp. 723-728.

47. Boade R.R. ana Chin L.Y. The DYNAFLO W Procedure for Simulat­ ing Ekofisk Subsidence with Results for Two Spring 1986 Reservoir Man­ agement Scenarios. Phillips Petroleum Company, Production Technology Branch Research and Services Division, Research and Development. Bar­ tlesville, Oklahoma, November 1986.

48.Charlez F.P. Rock Mechanics. Volume 1,2. Petroleum applications. Teditions Technip. 27 rue Ginoux 75737 Paris cedex 15. 1997.

49.Chin L.Y., Boade R.R., Nagel N.B., Landa G.H. Numerical Simulation

of Ekofisk Reservoir Compaction and Subsidence: Treating the Mechanical Behavior of the Overburden and Reservoir. Eurock’94, pp. 787-794.

50.Chin L.Y., Boade R.R., PrevostJ.H., Landa G.H. Numerical Simulation of Shear-Induced Compaction in the Ekofisk reservoir. Int. J. Rock Mech. Vol. 30, № 7, pp. 1193-1200, 1993.

51.Chin L.Y. and Boade R.R., Full-Field, 3-D Finite-Element Subsidence

Model for Ekofisk, Third North Sea Chalk Symposium, Copenhagen, June 11-12, 1990.

52.Drewes H., Henneberg H. Деформации геодезических сетей на ме­ сторождении нефти в районе оз. MapaKaH6o//Allgemeine VermessungsNachrichten, 1980, V. 7, № 10, pp. 386-389.

53.Fourmaintraux D.M ., Flouzat M . Improved subsidence monitoring methods. Eurock’94, pp. 549-556.

54.Gambolati G., Ricceri G., Bertoni W., Brighehti G. Mathematical Simu­

lation of the Subsidence of Ravenna. Water Resourses Research, Vol. 27, N. 11, pp. 2899-2918, 1991.

55. Geertsma J. A Basic Theory of Subsidence Due to Reservoir Compac­

56.Grant U.S. Subsidence of the Wilmington Oil Field. Cal. Calif.Div.Mines Bull., 1954, 170, pp. 19-24.

57.Johnson J.P., Rhett D.W., Siemers W.T. Rock Mechanics of the Ekofisk Reservoir in the Evaluation of Subsidence. Journal of Petroleum technology.

July 1989, pp. 717-722.

58.Pande G.N., Sharma K.G. Multi-laminate model of clays: a numerical evaluation of the influence of rotation of the principal stress axess. Int. J. Num. & Anal. Meth. in Geomech., Vol. 7, 1983, s. 397.

59.Pattillo P.D., Kristiansen T.G., Sund G.V., Kjelstadli R.M. Reservoir

Compaction and Seafloor Subsidence at Valhall. Eurock’98, pp. 377-386.

60.Piau J.-M ., Maury V. Mechanical effects of water injection on chalk reservoirs. Eurock’94, pp. 819-828.

61.Plischke B. Finite element analysis of compaction and SubsidenceExperience gained from several chalk fields. Eurock’ 94. 1994 Balkema, Rot­ terdam. s. 795-801.

62.Plischke B. Review of Subsidence Modelling in the Adriatic Basin on

the Basis of Seven Selected Fields. 1998. ISAM G EO Engineering GmbH.

63.Risnes R., Garpestad O.J., Gilje M., Oland L.T., Ovesen M ., Vargervik E.

Strain Hardening and Extensional in High Porosity Chalk. Eurock’98, pp. 475-483.

64.Roegiers J.-C. Recent rock mechanics developments in the Petrolium industry. Rock Mechanics, Daemen and Schutz (eds), 1995, pp. 17-29.

65.Sulak R.M., Thomas L.K. and Boade R.R. Reservoir Simulation of Ekofisk Compaction Drive, JPT (October 1991), pp. 1272-1278.

66.Sulak R.M., Thomas L.K., Boade R.R. 3D Reservoir Simulation of Ekofisk Compaction Drive. Journal of Petroleum technology. October 1991, pp. 1272-1278.

67.Sulak R.M. Ekofisk Field: The First 20 Years. Journal of Petroleum technology. October 1991, pp. 1269-1269.

68.Teufel L.W., Rhett D.W., Parrel H.E. Effect of Reservoir Depletion and Pore Pressure Drawdown on in Situ Stress and Deformation in the Ekofisk

Field, North Sea. 32nd U.S. Symposium on Rock Mechanics, University of Oklahoma, July 10-12, 1991.

69. Wittke W. Rock Mechanics, Theory and Applications with case histo­ ries, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokio, Hongkong, Barcelona, 1990a.

ГЛАВА 4

ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ РАЗРАБОТКУ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ

4.1. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАЧ РАСЧЕТА

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ МАССИВОВ

Изучение механики горных пород, т.е. поведения обычного образца горной породы или целого горного региона под нагруз­ кой (то же относится даже к континентам), требует уточнения терминологии своего предмета.

Когда говорят об образце горной породы, то обычно подразу­ мевают стандартных размеров керн из скважины, находящийся в испытательном приборе. В данном случае речь идет о породе в масштабе от миллиметра до дециметра, но главным образом в масштабе, при котором ее свойства представляются гомогенными макроскопически, хотя он включает и трещиноватость и порис­ тость, которые можно определить с помощью специального обо­ рудования. В таком масштабе вещество можно считать однород­ ным, что приблизительно соответствует истине.

Когда говорят о масштабах горной породы от дециметра до десятков метров, то речь идет уже о блоках. Именно эти мас­ штабы определяют устойчивость горных выработок, небольших подземных сооружений, бортов карьеров и их уступов. Исследо­ вателя здесь уже меньше заботит однородность свойств вещества, так как поведение такого массива чаще всего определяется раз­ витием деформирования по системам трещин. Входящие в рас­ четные схемы параметры модели, в том числе и исходное поле напряжений, получают на основе обработки результатов испыта­ ний образцов керна или из решений локальных задач деформи­ рования вокруг выработок, например, когда известны смещения горных пород при их проходке.

По сути дела, механика скальных пород, широко развитая в работах Н. Бартона, З.Т. Бенявски, В. Виттке, А.Б. Фадеева, Г.Л. Фисенко, Н.С. Булычева, Е.И. Шемякина и других выдаю­ щихся специалистов, является механикой горных пород именно такого масштаба, так как она находит наиболее широкое приме­ нение на практике. Собственно механика блоков для неоднород­ ных сред породила множество численных решений, однако их практическое применение часто проблематично.

Когда говорят о массиве месторождения или о массиве горно­ промышленного региона, то имеют часто в виду такую расчетную область, когда в масштабе сотен метров или даже десятков кило­ метров (а порой и больше) рассматривают состояние месторож­ дения или всего интересующего исследователя региона с учетом свойств матрицы слагающих блоков, каких-либо крупных нару­ шений, главным образом, крупных разломов, представляющих собой серьезные отличия физико-механических свойств вме­ щающих пород. Параметрическое обеспечение таких численных моделей (даже упругих) проблематично, так как знание физико­ механических свойств огромных массивов в принципе невоз­ можно. Тем не менее, используют ориентировочные значения параметров, которые получают обычно на основе обратных рас­ четов с использованием результатов маркшейдерско-геодезиче­ ских измерений деформаций больших территорий. Компоненты исходного поля напряжений, являющиеся исходными парамет­ рами, также являются крайне неопределенными величинами. В результате решения соответствующей задачи расчета параметров НДС такого сложного массива можно получить множество ре­ шений, и варьируя входящие параметры, получить удовлетвори­ тельное соответствие наблюдаемым на практике деформациям, что, тем не менее, вовсе не означает, что выполнено действи­ тельно адекватное натуре моделирование происходящего явле­ ния. Однако исследователь иногда невольно подгоняет под свои научные представления практические данные и объясняет этим большинство происходящих явлений. К сожалению подобная ситуация сложилась и в оценке влияния геодинамических фак­ торов на устойчивость нефтепромысловых систем.

Именно такой масштаб решаемой задачи чаще всего подразу­ мевается под геодинамикой недр. В основу современных пред­ ставлений о геодинамике недр и земной поверхности при добыче полезных ископаемых положена концепция блочной структуры горного массива, широко развитая в работах И.М. Петухова, И.М. Батугиной и многих других ученых [15, 23, 29]. Нарушение природного равновесия блоков в результате интенсивной экс­ плуатации недр, подвижки по контактам блоков и концентрация

напряжений вблизи границ блоков различного ранга приводит к сейсмическим явлениям в верхней части земной коры. Известно также, что сама по себе блочная структура массива вследствие различия физико-механических свойств и структуры различных блоков порождает крайне неравномерное распределение тензора напряжений. Добыча нефти или разработка твердых полезных ископаемых в условиях неравнокомпонентного исходного поля напряжений с его локальными концентрациями вблизи разломных структур может многократно усилить опасность техноген­ ного воздействия на недра.

В настоящее время моделированию поведения массивов блоч­ ной структуры посвящено большое число работ. Большая часть их реализована в рамках плоских задач механики горных пород с вариацией контактных условий на границах блоков. С появле­ нием программных продуктов, позволяющих решать трехмерные задачи, возможности геомеханического анализа блочных сред существенно расширяются. Однако неопределенность входящих в расчетную модель параметров позволяет получать только сильно приближенные решения. Покажем это на примере численного моделирования напряженного состояния блочной структуры гор­ ного массива в регионе Верхнекамского месторождения калийно­ магниевых солей (ВКМКС).

Рассматривался участок горного массива размером в плане 45x45 км и глубиной 5 км, захватывающий гг. Березники и Со­ ликамск (рис. 4.1.1). За основу расчетной модели были взяты тектонические блоки II, III, IV, V рангов, выделенные на терри­ тории ВКМКС профессором В.В. Филатовым (Уральский госу­ дарственный горный университет, г. Екатеринбург) [38]. Нару­ шения II и III рангов проходили в модели через фундамент, а нарушения IV, V рангов, согласно данным В.В. Филатова, рассе­ кали только осадочный чехол. Физико-механические характери­ стики основных слагающих массив породных слоев были опреде­ лены при расчетах сдвижений горного массива при разработке Чашкинского и Уньвинского месторождений из условия наи­ лучшего соответствия замеренных и рассчитанных оседаний зем­ ной поверхности, как описано в главе 3. Эти параметры приве­ дены в табл. 4.1.1.

В задачах подобного рода самым неопределенным параметром являются прочностные свойства пород, слагающих разломные структуры. Можно только предполагать, что нарушения более высокого порядка имеют и более низкие прочностные свойства, однако степень их уменьшения весьма неопределенна. Первич­ ные расчеты в рамках упругой модели показывают, что при зада­ нии породам нарушений более низких упругих свойств по ним

Таблица 4.1.1

Физико-механические характеристики горных пород ВКМКС

наблюдается проседание пород. Тем самым по величине проседа­ ния на поверхности можно в первом приближении оценить свой­ ства пород в разломе. Для этой цели были построены попереч­ ные профили по земной поверхности через Красноуфимский разлом, совпадающий с р. Кама. Соответствующие значения раз­ ностей высот дна разлома в сравнении с западным бортом раз­ лома составили примерно 40, 30 и 30 м. Выполненные оценочные расчеты дали проседание около 30 м земной поверхности в рай­ оне Красноуфимского разлома при значении модулей упругости в породах разлома, составляющих 50 % от основных пород раз­ реза. К сожалению, по остальным разломам не наблюдается столь выраженный желобообразный профиль поверхности, по­ этому данный разлом Н-го ранга стал своего рода исходным для остальных разломов.

В пределах моделируемого участка к категории глубинных исследователи (В.В. Филатов, Г.Г. Кассин) относят меридио­ нальный Красноуфимский, широтный Дуринский и диагональ­ ный Березниковско-Соликамский разломы. Дуринский и Берез- никовско-Соликамский по представлениям профессора В.В. Фи­ латова и Г.Г. Кассина являются сдвигами и отнесены к разломам третьего ранга. Однако согласно представлениям профессора В.И. Копнина, Дуринский прогиб не простирается глубже почвы подстилающей каменной соли (ПКС) и имеет эрозионное проис­ хождение [17]. В связи с этим модуль упругости по Дуринскому разлому до кровли ПКС принят равным 50 % от модуля основ­ ных пород, модуль упругости самой ПКС принят 60 % от модуля основных пород, ниже - до фундамента он принят 75 % от ос­ новных пород и в фундаменте принят опять равным 50 % от мо­ дуля упругости пород фундамента. Тем самым обеспечивается относительно постепенное изменение упругих свойств по раз­ лому. Модули упругости внутриблоковых разломов, контроли-