книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья
..pdfмассива. Далее разрешим задачу об определении напряженнодеформированного состояния горного массива при отработке ка лийной залежи вблизи скважины.
5.6.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ И ПРЕДЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ, СТРОЯЩЕЙСЯ
НА ТЕРРИТОРИИ ВКМКС
Все расчеты были выполнены для глубины разработки 250 м [20, 22], поскольку именно в данном интервале глубин должны наблюдаться наибольшие величины деформаций сжатия горного массива под влиянием опорного давления. Расчеты были выпол нены в упругой постановке. В конечно-элементных моделях учи тывались все конструктивные элементы скважины: породный массив, цементное кольцо, стальная труба кондуктора, цементное кольцо, техническая колонна, цементное кольцо, эксплуатацион ная колонна. Во всех расчетах принималось, что в стволе сква жины присутствует жидкость плотностью 0,01 МН/м3.
Допустимые и предельные для конструкции скважины горизонтальные и вертикальные деформации горного массива
Задачу взаимодействия крепи ствола скважины с подрабаты ваемым массивом рассматривалась в предположении плоскодеформированного состояния. Конечно-элементная модель фраг мента скважины размером 1x1 м представлена на рис. 5.6.1. За дача решается в несколько этапов. На первом шаге рассчитыва ется НДС породного массива со скважиной. Для этого на боко вых гранях расчетной области задаются напряжения ах и оу, со ответствующие исходному полю напряжений. На противополож ных гранях задается отсутствие нормальных смещений. На внут реннюю стенку скважины действует давление жидкости.
На втором шаге расчета на одной из боковых граней (вдоль оси х) задаются перемещения 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,5, 5,0 мм. Тем самым моделируются дополнительные горизонтальные деформа ции горного массива величиной 0,5 мм/м, 1,0 мм/м и т.д., вы званные предполагаемым воздействием очистных работ при их подходе к скважине. В результате расчетов получаются величины упругих напряжений в горном массиве и конструктивных эле ментах скважины. Сравнение данных напряжений с критериями разрушения (применялся критерий Кулона-Мора) позволяет сделать вывод о сохранности элементов конструкции.
Расчеты допустимых горизонтальных деформаций представ лены в табл. 5.6.1. Угол внутреннего трения цементного камня
352
Результаты расчетов допустимых и действующих горизонтальных напряжений на контакте порода - цементный камень на глубине 250 м
Напря- |
|
Горизонтальная деформация, мм/м |
|
|||
жение |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,5 |
|
||||||
стг |
7,7 |
11,3 |
14,8 |
18,4 |
22,0 |
29,1 |
а0 |
3,4 |
3,4 |
3,4 |
3,3 |
3,2 |
3,1 |
СТдоп |
39,6 |
39,6 |
39,6 |
39,3 |
39,0 |
38,7 |
К = Стдоп /сто |
5,14 |
3,50 |
2,68 |
2,14 |
1,77 |
1,33 |
_ Э .К |
-22 |
-85 |
-149 |
-212 |
-275 |
-401 |
сте |
||||||
В результате расчетов получены довольно высокие значения допустимых и предельных горизонтальных деформаций горного массива. Это прежде всего объясняется высокими прочностными показателями цементного состава МФТМ.
Расчет допустимых и предельных вертикальных деформаций конструкции скважины имеет существенные особенности. Ос новной задачей при этом является определение вертикальных перемещений горного массива, при которых произойдет отрыв крепи от окружающих горных пород. Отметим, что это явление достаточно часто проявляется при добыче угля вблизи предохра нительных целиков под вертикальные шахтные стволы [1]. Сами вертикальные деформации создают боковой распор, который ока зывает дополнительной давление на конструкцию скважины, од нако возникающие при этом горизонтальные напряжения и де формации существенно ниже собственно горизонтальных дефор маций и напряжений, вызванных подработкой. В случае отрыва крепи от массива внешний цементный камень может и не разру шиться, однако при этом заведомо будет нарушена сохранность водозащитной толщи за счет образования флюидопроводящего канала на контакте порода - цементный камень. Вероятна, хотя в значительно меньшей степени, другая ситуация, когда контакт порода - цементный камень сохраняет свою целостность за счет высокого сцепления и внутреннего трения, но происходит сдвиг по внутреннему контакту цементный камень - внутренняя сто рона обсадной трубы кондуктора, поскольку на данном контакте сцепление практически отсутствует. Отметим, что сдвиг пород по контакту наружной стороны обсадной трубы с цементным кам нем невозможен вследствие наличия муфт.
Таким образом, расчет допустимых и предельных вертикаль ных деформаций конструкции скважины сводится к определе нию перемещений, при которых происходит либо отрыв крепи от породы, либо отрыв цементного кольца от внутренней поверхно сти кондуктора. С этой целью была создана объемная конечно-
элементная модель фрагмента скважины в виде параллелепипеда размерами 1x1x1 м. Между породой и цементным кольцом вво дился специальный слой элементов толщиной 7 мм, моделирую щий зону проникновения тампонажного материала в окружаю щий соляной массив. Предполагаемые дополнительные верти кальные перемещения задавались горному массиву вплоть до данного слоя.
На первом шаге расчета определяется НДС породного масси ва со скважиной. Боковые грани модели нагружены исходным полем напряжений ах и оу) со стороны обсадной колонны дейст вует давление жидкости плотностью 0,01 МН/м3 (рис. 5.6.2). На втором шаге породному массиву задаются вертикальные смеще ния 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,3 мм, т.е. моделируются дополнительные вертикальные деформации сдвига горного массива величиной 0,1 мм/м - 0,30 мм/м, вызванные предполагаемым воздействием очистных работ при их подходе к скважине. При этом верхняя и нижняя грани конструктивных элементов скважины не имеют возможности вертикальных перемещений, т.е. анализируется возможность смещения горного массива относительно скважины.
Отрыв горного массива от цементного камня произойдет при превышении касательных напряжений т на контакте породацементный камень над кулоновым трением и сцеплением по кон такту
т < ап • tg р + С,
где ст„ - нормальные (в данном случае радиальные) напряжения; р - угол внутреннего трения по контакту.
Согласно данным Г.М. Толкачеву [19], выполнившему в 1987 г. исследования физико-механических свойств сростка «карналлит (сильвинит) - цементный камень» для расширяющегося магне зиально-фосфатного тампонажного материала различных соста вов затворения, сцепление изменяется от 0,52 до 5,2 МПа, со ставляя в среднем 2,1 МПа. Г.М. Толкачев отмечает, что разру шение происходит преимущественно не по контакту порода - цементный камень, а по породе, в данном случае по сильвиниту или карналлиту. То есть в качестве сцепления целесообразно взять величину 2,1 МПа, в качестве угла внутреннего трения - угол внутреннего трения сильвинита или карналлита, который изменяется от 27 до 34° и в среднем составляет 30°.
Результаты расчетов (табл. 5.6.2) показывают, что вертикаль ные деформации 0,3 мм/м следует считать предельными для нефтяной скважины конструкции ВКМКС. При их превышении однозначно происходит отрыв цементного кольца от окружающе-
Результаты расчетов допустимых и действующих касательных напряжений на глубине 250 м для контакта порода - цементный камень
Вертикальные дес юрмации, мм/м
Напряжение |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,25 |
0,3 |
0,4 |
|
||||||
о„ |
7,9 |
7,9 |
8,0 |
8,2 |
8,3 |
8,6 |
“Срасч |
1,9 |
2,8 |
3,8 |
4,6 |
5,6 |
7,5 |
*доп |
6,6 |
6,7 |
6,75 |
6,8 |
6,85 |
7,1 |
К = ^д о п /^ р асч |
3,5 |
2,4 |
1,8 |
1,5 |
1,2 |
0,95 |
го массива. Это означает, что при одностороннем подходе очист ных работ к нефтяной скважине на глубине 300 м при оседании поверхности в районе устья скважины на 90 мм происходит от рыв цементного кольца от окружающего массива. Таким образом предельные оседания земной поверхности в районе устья сква жины следует принять равными 90-100 мм.
Допустимые деформации для скважины составляют 0,1- 0,15 мм/м (табл. 5.6.2), так как они обеспечивают тройной коэффициент запаса устойчивости. Соответствующие оседания поверхности в районе устья скважины не должны превышать 30-
45мм.
Соотнесем полученные результаты с оценочными выводами
сотрудников ВНИМИ. Согласно данным ВНИМИ критические оседания земной поверхности в рассматриваемом вертикальном сечении зоны опорного давления, при которых происходит отрыв скважины от массива, изменяются от 75 до 200 мм. Данные про фессора А.Г. Акимова (ВНИМИ) говорят о том, что вертикаль ные шахтные стволы можно подрабатывать без конструктивных мер защиты при оседаниях земной поверхности не больше 100— 150 мм. [1]. При ожидаемых, т.е. получаемых по расчету оседа ниях, превышающих эти величины, для сохранения эксплуатаци онной способности ствола и обеспечения безопасных условий работы должны осуществляться меры защиты. Таким образом, полученные расчеты согласуются с опытом охраны скважин и вертикальных шахтных стволов на угольных месторождениях.
Однако отрыв скважины от массива вблизи земной поверхно сти не означает нарушение нормальной эксплуатации скважины и, тем более, не означает нарушение сплошности водозащитной толщи, так как при оседаниях поверхности на 90-110 мм кровля ВЗТ чаще все не получит вообще никаких оседаний. Полученные изложенным выше расчетом допустимые и предельные величины вертикальных деформаций являются тем критерием, при котором наступает отрыв скважины от горного массива. То есть числен-
ным расчетом при проектных или существующих параметрах системы разработки калийной залежи следует получить верти кальные деформации (или оседания) массива в районе кровли ВЗТ и сопоставить с приведенными критериями. Вполне может получиться ситуация, когда в районе услъч скважины оседания достигнут 0,5 м и более, а оседания кровли ВЗТ будут в преде лах 50-100 мм.
Допустимые и предельные для конструкции скважины деформации сдвига горного массива по контактам слоев
Как уже отмечалось, в процессе ведения очистных работ вблизи вертикальных горных выработок (шахтных стволов, тех нических скважин и др.) особенно серьезные повреждения крепи случаются в местах пересечения выработкой сравнительно сла бых породных прослоев, а также геологических нарушений. Сдвиги по контактам слоев глинистых пород, которые характер ны для геологического разреза территории ВКМКС, могут при вести не только к нарушению прочности цементного камня, но и к смятию в целом конструкции скважины.
Расчет допустимых и предельных деформаций сдвига по кон тактам слоев конструкции скважины сводится к определению горизонтальных перемещений горного массива по контакту слоя, при которых произойдет разрушение цементного камня и обсад ных колонн. Интервал глубин, на которых может произойти это явление, изменяется от поверхности до горизонта отработки, од нако, при оставлении целика под скважину преимущественно на верхних горизонтах. При возникновении сдвига конструктивные элементы скважины и, прежде всего, цементное кольцо может разрушиться под влиянием деформаций объемного сжатия или под влиянием растягивающих напряжений.
Для анализа этого явления была разработана объемная конеч но-элементная модель участка массива с глинистым прослойком толщиной 0,2 м (рис. 5.6.3). Данная модель позволяет задавать перемещения верхней части горного массива относительно ниж ней и тем самым оценить НДС скважины при сдвиге по слабому слою.
На первом шаге рассчитывается исходное НДС горного мас сива и скважины на глубине 250 м с учетом давления жидкости плотностью 0,01 МН/м Модуль упругости глинистого слоя при нят равным 50 МПа, коэффициент Пуассона 0,42. На втором шаге моделируется собственно ситуация сдвига по контакту. Для этого всей верхней части модели, расположенной над глинистым прослойком, за исключением конструктивных элементов скважи-
3 5 8
5.6.2. ДЕФОРМАЦИИ ГОРНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ КАЛИЙНОЙ ЗАЛЕЖИ ВБЛИЗИ
ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ
Знание допустимых и предельных деформаций конструкции действующей нефтяной скважины ВКМКС позволяет оценить ее безопасное удаление от границы горных работ по калию. Такая работа была выполнена применительно к условиям Сибирского месторождения нефти. Сибирская площадь располагается в юговосточной части калийного месторождения, примыкая к внешне му контуру его Балахонцевского, Талицкого и Дурыманского участков. При отработке калия на этих участках ВКМКС нефтя ные скважины на севере Сибирского месторождения будут испы тывать негативное воздействие горных работ. Для оценки безо пасного удаления границы горных работ от скважины необходи мо сравнить допустимые и предельные деформации с дополни тельными деформациями, возникающими при отработке пластов калийных солей.
В соответствии с условиями задачи рассматривались сдвиже ния и деформации в краевой части постоянной мульды сдвиже ния у границы балансовых запасов калия. Анализ геологического строения массива показывает, что на этом участке требованиям кондиций отвечает один сильвинитовый пласт КрН. Поэтому расчеты проводились для отработки одного сильвинитового пла ста мощностью 3,7 м на глубине 300 м камерами шириной а = 6 м. Ширина целиков задавалась равной 4 м и 3,2 м. Тем самым были промоделированы две горнотехнические ситуации - со степенью нагружения целиков С = 0,55, которая регламентируется пара метрами системы разработки вблизи границы балансовых запа сов, и со степенью нагружения С = 0,7, что является практически предельной величиной для практики разработки Верхнекамского месторождения. В настоящее время выбор мер охраны объектов и сооружений на земной поверхности от вредного влияния гор ных работ на калийных рудниках в соответствии с нормативны ми документами осуществляется на основе расчета сдвижений и деформаций земной поверхности [15]. В нормативных докумен тах используется метод типовых кривых, который имеет доста точно высокую степень надежности, так как он основан на опыте многолетних инструментальных наблюдений. С помощью этого метода можно определить безопасное удаление горных работ по критерию оседаний поверхности в районе устья скважины, кото рые не должны превышать 45 мм. Существующая методика по определению размеров предохранительных целиков вокруг сква жин на ВКМКС [25] рекомендует охранять их под углами сдви