Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1
.pdfжения 55° Расчеты по нормативным документам показывают, что в этом случае даже при предельной степени нагружения це ликов 0,7 оседания поверхности на устье скважины будут со ставлять порядка 40 мм. То есть остановка горных работ по ка лию на расстоянии, определяемом углом сдвижения 55° (при глубине калийного пласта 300 м это составляет 210 м), является безопасной для нефтяной скважины по критерию оседаний ее устья.
Метод типовых кривых не дает картины напряжений и деформаций в горном массиве, поэтому проверить устойчивость конструкции скважины по другим критериям при использовании этого метода не представляется возможным.
Для расчета напряжений и деформаций в массиве целесооб разнее всего использовать методы математического моделирова ния с применением соответствующих механических моделей гор ных пород. В данном случае для описания толщи соляных пород применяли механическую модель деформирования и разрушения солей (см. главу 2), реализованную методом конечных элементов. Конечно-элементная модель горного массива, отражающая рассматриваемые горно-технологические условия, показана на рис. 5.6.5. Для оценки деформаций сдвига по контактам слоев в модель введены контакт-элементы, так как воспроизведение тон ких глинистых прослоев обычными конечными элементами за труднительно. Контакт-элементы вводились на глубинах 234 м
(т = 1,5 м - |
пласт ПКС), 282 м (т = 0,8 м |
- пласт Г), 303 м |
(т = 1,9 м - |
пласт КрШВ) и 328 м (т = 2,0 |
м - маркирующая |
глина). В нормативном документе [15] механическую модель контактов рекомендуется принимать в виде трехзвенной кусочно линейной аппроксимации и = /(т, а), где и - сдвиг по контакту, т, ст - касательное и нормальное напряжения. Механические ха рактеристики контактов согласно [15] приведены в разделе 3.6.2 (см. рис. 3.6.11, табл. 3.6.2).
Для физико-механических свойств пород были заданы значе ния, рекомендованные в [15] для расчетов НДС методами мате матического моделирования (табл. 5.6.3). Реологические пара метры модели также определялись на основе действующего нор мативного документа - [15]. Для этой цели использовали графи ки нарастания относительных величин оседаний земной поверх ности в зависимости от степени нагружения междукамерных целиков. Данные графики можно рассматривать как аналоги кри вых ползучести, получаемых при испытаниях образцов пород, но
Рис. 5.6.5. Конечно-элементная схема отработки запасов калия у границы ба лансовых запасов
Таблица 5.63
Физико-механические свойства пород ВКМКС
Порода |
£, МПа |
V |
у, М Н /м3 |
Каменная соль |
1500 |
0,30 |
0,022 |
Сильвинит |
800 |
0,30 |
0,022 |
Каменная соль + сильвинит |
1150 |
0,30 |
0,022 |
Каменная соль + карналлит |
1000 |
0,35 |
0,022 |
Соляно-мергельная толща |
500 |
0,30 |
0,024 |
с тем отличием, что кривые нарастания оседаний отражают про цесс деформирования реальных целиков и всей налегающей толщи. Можно сказать, что определение реологических парамет ров модели выполнялось методом «обратного расчета», т.е. доби вались соответствия сдвижений и деформаций земной поверхно сти, рассчитанных МКЭ и найденных по инструкции [15]. Имен но соответствие расчетных и экспериментальных данных дает основание использовать численную модель для прогноза НДС горного массива в целом.
В качестве реологической модели деформирования соляных пород использовалась модель, представленная в работе В.Виттке [36] и описанная в главе 1. Кривые нарастания оседаний земной поверхности говорят о том, что при степени нагружения С > 0,5 происходит практически линейный рост оседаний поверхности вплоть до полного разрушения целиков и заполнения вырабо танного пространства обрушенными породами. Поэтому при ре шении поставленной задачи вполне можно пренебречь первич ными и вторичными деформациями ползучести и обойтись рас смотрением только третичной стадии. Параметры реологической модели соляных пород ВКМКС, определенные по графикам нарастания относительных оседаний земной поверхности, сле дующие:
г|£, МПа-г.......................................................................... |
2500 |
CTF, М Па............................................................................ |
8,0 |
<PF>градус.......................................................................... |
25 |
М, М Па............................................................................ |
400 |
ц/, градус........................................................................... |
5 |
г|дг, МПа г |
100 |
ад, МПа........................................................................... |
8 |
Фд, градус........................................................................ |
25 |
W, МПа............................................................................. |
400 |
G R , МПа............................................................................ |
0,5 |
Фя, градус......................................................................... |
5 |
Реологические свойства всех соляных пород считались одина ковыми, так как при крупномасштабном математическом моде лировании целесообразно не дифференцировать слои пород по реологическим свойствам, чтобы уменьшить степень неопреде ленности исходных данных. Толща покрывающих пород (т.е. по-
роды выше покровной каменной соли) рассматривались как уп ругопластическая среда Друкера-Прагера со следующими параметрами: сцепление С = 0,5 МПа, внутреннее трение ф = 20°, угол дилатансии ц/ = 5°.
Прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива при добыче калия осуществляется в два этапа. На пер вом этапе проводится расчет напряжений и деформаций в нетро нутом горном массиве, а на втором этапе моделируется выемка междукамерных целиков. Разность второго и первого этапов бу дет представлять собой дополнительные сдвижения и деформа ции горного массива, вызванные горными работами по калию. На рис. 5.6.6 и 5.6.7 показано сравнение расчетных сдвижений и деформаций земной поверхности со сдвижениями и деформа циями, определенными по нормативному документу [15].
Как можно видеть, расчетные оседания земной поверхности хорошо соответствуют нормативным как на промежуточных, так и на конечной стадии процесса сдвижения. Величина максималь ного наклона земной поверхности отличается от нормативного примерно на 60 % (рис. 5.6.8). Однако расчетное положение мак симума наклонов совпадает с нормативным, и кроме того, в краевой части мульды сдвижения (т.е. на том участке, где пред полагается размещение нефтяной скважины) расчетная и норма тивная кривые наклонов достаточно близки. Таким образом сравнение расчетных и экспериментальных сдвижений и дефор маций поверхности говорит об адекватности выполненного чис ленного моделирования НДС горного массива, что дает возмож ность провести оценку безопасного удаления нефтяной скважи ны от границы горных работ.
Расчеты показывают, что горизонтальные деформации сжа тия горного массива не нарушают устойчивость скважины. В районе расположения оси скважины под углом сдвижения 55° горизонтальные деформации гх не превышают величины 0,1 мм/м, что значительно ниже допустимых значений. То есть исходя из допустимых горизонтальных деформаций сжатия, скважину можно располагать под значительно более крутым уг лом сдвижения порядка 70°. При этом удаление оси скважины от границы отработки калия составит около 100 м.
Деформации сдвига по контактам слоев также не опасны для скважины, расположенной под углом сдвижения 55°. Как пока зано на рис. 5.6.9, величины сдвигов по контактам слоев макси мальны на границе отработанного пространства, а затем быстро уменьшаются. На удалении 210 м от границы горных работ сдви ги по слоям глин совершенно незначительны. То есть исходя из допустимых деформаций сдвига по контактам слоев, скважину
Збб
рис. 5А б. Механическая модель кон |
т, МПа |
такта в соляном массиве |
|
рис. 5.6.7. Расчетные оседвния земной поверхности на разных стадиях процес са сдвЧжения, полученные по норма тивным документам ( /) и в результате расчета МКЭ (2)
также можно располагать значительно ближе, чем под углом сдвижения 55°.
Допустимые углы наклона скважины регламентируются доку ментом [28]. Согласно этим требованиям зенитный угол скважи ны от устья до башмака кондуктора должен быть не более 3°; от башмака кондуктора до глубины 120 м ниже кровли подстилаю щей каменной соли - не более 7°; далее до башмака промежу точной колонны - не более 15°. Применительно к Сибирскому месторождению это означает, что до глубины 420-430 м скважи на может иметь зенитный угол 3-7°, а далее до глубины 750 м - 15° При таких ограничениях полная сохранность нефтяной скважины обеспечивается при удалении ее устья от границы
Рис. 5.6.8. Расчетные наклоны земной поверхности на конечной стадии про цесса сдвижения, полученные по нормативным документам (У) и в результате расчета МКЭ (2)
горных работ под углом сдвижения 55°, т.е. на 210-220 м. При этом до глубины 420-430 м скважина должна иметь зенитный угол 3-7°, а далее может иметь любой технологически рацио нальный угол наклона.
Методика расчета размеров предохранительных целиков в ус ловиях Верхнекамского месторождения калийных солей реко-
Удаление от границы горных работ, м
Рис. 5.6.9. Величины сдвигов по слоям глин на конечной стадии процесса сдвижения. Расположение контакта:
1 - ПКС; 2 - Г; 3 - КрШВ; 4 - МГ
мендует охранять действующие нефтяные скважины под гранич ными углами сдвижения 55°. Как уже отмечалось, это согласует ся с выполненными исследованиями по определению величин допустимых и предельных деформаций конструкции действую щей нефтяной скважины. В этом случае не происходит даже от рыва устья скважины от вмещающих пород и тем более не про исходит отрыва скважины от массива в районе ВЗТ, т.е. имеется многократный запас прочности. При этом радиусы предохрани тельных целиков при глубине разработки 300 м составят порядка 210-220 м.
Указанная Методика регламентирует строительство предохра нительных целиков под ликвидированные нефтяные скважины таким же образом, что и под солеразведочные, при этом делается оговорка, что нефтяные скважины должны быть приведены по сле их ликвидации в состояние, аналогичное ликвидированным солеразведочным скважинам. В этом случае радиусы предохра нительных целиков при глубине разработки 300 м составят по рядка 60-70 м, соответственно запасы, оставляемые в целиках, сокращаются в 8-10 раз. При этом расположение нефтяных скважин рядом с солеразведочными скважинами сводит к мини муму потери калийных солей в целиках под нефтяные скважины, так как они практически совпадают с целиками под солеразве дочные скважины.
Допустимые и предельные деформации для ликвидированной скважины пока не определены, поскольку они зависят от техно логии ликвидации. Радиусы предохранительных целиков под ликвидированную нефтяную скважину будут определяться кон структивными особенностями ликвидированных скважин и должны быть приняты как из расчета их водонепроницаемости в пределах ВЗТ, так и на основании рассчитанных величин де формаций горного массива при сопоставлении их с предельно допустимыми деформациями ликвидированных нефтяных сква жин. Однако если допустить, что ликвидированная нефтяная скважина в интервале от подошвы продуктивной калийной зале жи до земной поверхности находится в состоянии, аналогичном состоянию ликвидированной геологоразведочной скважины, то в этом случае для нее справедливы все принципы построения пре дохранительных целиков, применяемые для солеразведочной скважины. Соответствующие расчеты потерь в целиках под неф тяные скважины на месторождении им. Архангельского, распо ложенного под промышленными запасами ВКМКС, свидетельст вуют, что от общих балансовых запасов калийных и калийно магниевых солей Палашерского участка возможные потери силь винита, карналлитовой породы и смешанных солей в предохра-
нительных целиках пробуренных на нефть скважин составят 0,02 %, а от суммарного количества балансовых запасов солей, находящихся в пределах площади нефтяного месторождения -
0,08 %.
Столь малые величины потерь калийных и калийно-маг ниевых солей в предохранительных целиках под ликвидирован ные нефтяные скважины позволяют, на первый взгляд, сделать вывод о неактуальности проблемы потерь солей в целиках. Од нако эта проблема действительно потеряет свою актуальность только в том случае, если ликвидированная нефтяная скважина в интервале от подошвы продуктивной калийной залежи до земной поверхности будет приведена в такое состояние, которое исклю чит возможность прорыва воды в выработки калийных рудников при подходе горных работ.
В каждой ликвидированной геологоразведочной на калийные соли скважине как в солесодержащей части, так и в надсолевой части разреза отсутствуют металлические трубы обсадной колон ны - элементы крепи, наличие и коррозионное разрушение кото рых в перспективе (в течение нескольких десятков лет) может привести к образованию и развитию проницаемого канала, со единяющего между собой надсолевой водоносный комплекс, ВЗТ и продуктивную соляную толщу. При ведении подземных горных работ, связанных с разработкой калийной залежи, в каче стве дополнительной меры по защите рудников от проникнове ния в них через скважины вод надсолевого комплекса вокруг ликвидированных указанным выше методом геологоразведочных скважин оставляют предохранительные целики. Размеры околоскважинных целиков рассчитываются исходя из условия их во донепроницаемости в пределах толщи пород, верхняя граница которой определяется положением кровли водозащитной толщи в месте пересечения ее скважиной, а нижняя граница - положе нием почвы отрабатываемого соляного пласта. Надежность и эффективность перечисленных мер по защите калийных рудни ков от проникновения в них вод надсолевого водоносного ком плекса через ликвидированные геологоразведочные скважины подтверждаются многолетним опытом разработки ВКМКС.
В отличие от геологоразведочных скважин, пробуренных на калийные соли, в пробуренных к настоящему времени нефтяных скважинах собственно солесодержащая часть разреза перекрыта двумя стальными колоннами (технической и эксплуатационной) с размещенным за ними цементным камнем. Такая крепь надеж но разобщает соляную толщу от флюидов подсолевого водонос ного комплекса и изолирует ее от внутрискважинного простран ства на период эксплуатации нефтяной скважины. В интервале
370
залегания вод надсоДевого комплекса крепь скважины представ лена тремя стальными колоннами (кондуктор, техническая и эксплуатационная колонны), в кольцевых зазорах между кото рыми находится цементный камень.
Установленный действующими нормативными документами порядок ликвидации нефтяных скважин в общем случае предпо лагает, что в скважинах, ликвидируемых на любом из этапов их строительства и эксплуатации, зацементированные обсадные ко лонны, как правило, не извлекаются и остаются в скважинах на вечно. При этом априори предполагается, что в непосредственной близости от находящихся в эксплуатации и от ликвидированных нефтяных скважин в недрах отсутствуют и в перспективе не бу дут сооружаться другие подземные горные выработки, наличие и эксплуатация которых могли бы нарушить устойчивость горного массива вокруг этих скважин, целостность отдельных элементов и герметичность их крепи в целом.
Освоение месторождений нефти внутри контура калийной за лежи ВКМКС в настоящее время ведется на участках, где разра ботка калийной залежи подземными горными выработками не осуществлялась и в будущем не будет осуществляться либо по причине отсутствия запасов калийных солей (безрудные площа ди), либо по причине приуроченности их к участкам, находя щимся за пределами охранных зон участков с запасами солей промышленных категории. Поэтому на бурящиеся и пробурен ные на этих и подобных им участках нефтяные скважины может быть распространен общий порядок их ликвидации, который следует лишь конкретизировать в части использования специ альных технико-технологических средств повышения надежности и долговечности ликвидационного тампонирования в условиях наличия во вскрытом разрезе коррозионно-активных солей и водных растворов высокой степени минерализации. При этом вопросы, связанные с определением размеров предохранительных целиков как под действующие, так и под ликвидированные скважины не имеют практического значения, так как разработка калийной залежи подземными горными выработками не будет осуществляться.
В концепции долгосрочного комплексного освоения недр ВКМКС обосновывается в качестве одного из основных тезис об экономической целесообразности опережающей разведки и раз работки нефтяных месторождений глубокими скважинами в под солевых отложениях на участках с запасами калийных солей промышленных категорий. При этом определено, что основным и обязательным условием такого порядка освоения недр является гарантированное обеспечение защиты калийной залежи от нега