авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Научные основы методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке месторождений нефти и газа

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ашихмин Сергей Геннадьевич НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь - 2008

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете.

Научный консультант доктор технических наук, профессор Кашников Юрий Александрович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Барях Александр Абрамович доктор технических наук, профессор Сашурин Анатолий Дмитриевич доктор технических наук, профессор Гордеев Виктор Александрович Ведущая организация ООО «ПермНИПИнефть»

Защита состоится «» 2008 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу:

614007, г.Пермь, ул.Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного инс титута УрО РАН.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук, доцент Б.А. Бачурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективнос ти и безопасности разра ботки любых видов полезных ископаемых напрямую зависит от вопросов геомеха ники, связанных с расчетом и прогнозом напряженно-деформированного состояния горных массивов, определением параметров процесса сдвижения и охраной соору жений от подработки. Актуальность данных проблем обусловлена многочисленны ми случаями опасных геомеханических и геодинамических явлений, связанных с добычей минерально-сырьевых ресурсов. При этом общепризнанно, что один из наиболее значимых видов техногенного воздействия на недра связан с добычей неф ти и газа. Разработка нефтяных и газовых месторождений и связанные с ними изме нение пластового давления, различные виды воздействия на залежь для повышения нефтеотдачи нарушают природное равновесное состояние недр, создавая предпо сылки для возникновения деформаций горного массива и земной поверхности. На блюдающиеся при этом оседания земной поверхнос ти могут составлять от несколь ких миллиметров до нескольких метров. Для большинс тва месторождений скорости просадок составляют умеренные величины – один-два сантиметра в год, а накоп ленные величины просадок земной поверхнос ти не превышают десятков сантимет ров. Интенсивные техногенные смещения земной поверхности (более 1-2 метров) – менее распространенное явление, но с весьма опасными последствиями. Основные и наиболее опасные формы этих последствий – сильные деформации наземных со оружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных сква жин, заболачивание и затопление опускающихся участков земной поверхнос ти, ре гиональное проявление оползневых процессов.

Также известны многочисленные случаи сейсмических явлений, сопровож дающих разработку нефти и газа. По масштабам выделяемой энергии сейсмические события при разработке месторождений углеводородов значительно превышают аналогичные явления при остальных видах воздействия на недра.

Прогнозирование указанных негативных явлений и снижение масштабов их последствий является актуальной проблемой, поскольку их возникновение может иметь катастрофические для предприятий и природной среды последствия. В этой связи разработка научно-методических основ решения задач прогноза НДС горных пород с учетом геологических и горнотехнических особенностей месторождений нефти и газа представляет собой важную научно-практическую задачу.

Целью работы является разработка научно обоснованных методов прогноза параметров напряженно-деформированного состояния горных массивов на место рождениях углеводородов для прогноза и снижения последствий опасных геомеха нических и геодинамических явлений.

Основная идея работы заключается в разработке и использовании для целей прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород различных меха нических моделей, наиболее полно отражающих специфику горно-геологических условий месторождений углеводородов, а также результатов инструментальных на блюдений за деформированием земной поверхности и лабораторных исследований физико-механических и компрессионных свойств продуктивных объектов.

Задачи исследований:

- провести анализ результатов инс трументальных наблюдений за сдвижением земной поверхности на месторождениях нефти и газа;

- выполнить исследования упругих, прочнос тных и компрессионных свойств продуктивных пород на месторождениях углеводородов;

- провести аналитические исследования методов расчета уплотнения коллекто ров при снижении исходного пластового давления;

- обосновать выбор наиболее предс тавительных механических моделей для расчета напряженно-деформированного состояния горных пород на мес торождени ях нефти и газа и рассмотреть особеннос ти их применения;

- выполнить анализ характера и с тепени влияния различных факторов на пара метры процесса сдвижения горного массива и земной поверхности и выявить наи более значимые из них;

- разработать численную модель оценки интенсивности техногенных сейсмиче ских явлений на месторождениях нефти и газа.

Методы исследований. Работа выполнена на основе проведения и анализа ре зультатов инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности, ис пытаний физико-механических свойств образцов керна и их статистической обра ботки, решения аналитических и численных задач механики горных пород.



Научные положения, выносимые на защиту:

1. Расчет напряженно-деформированного состояния насыщенных порис тых сред при добыче нефти и газа с достаточной для практических целей точностью и эффективностью обеспечивается применением «модифицированной шатровой мо дели» горных пород с использованием показателей пластового давления и компрес сионных кривых нагрузки и разгрузки образцов продуктивных объектов в качестве исходных данных.

2. Величина уплотнения коллекторов при снижении исходного плас тового дав ления обусловлена деформациями скелета породы, которые определяются экспери ментально установленными закономернос тями объемных деформаций сжатия поро вого пространства и формообразующих минералов породной матрицы.

3. Общие относительные деформации коллектора и горного массива при добы че нефти и газа определяются показателями средневзвешенного плас тового давле ния и зависят от соотношения упругих свойств коллекторов и вмещающих пород, а также от отношения мощности и геометрических размеров пластов к глубине их за легания.

4. Оценка магнитуд техногенных сейсмических явлений при добыче нефти и газа основывается на модели неустойчивого роста трещин при сдвиге по тектониче ским разломным структурам с учетом полных диаграмм деформирования горных пород по контактам.

5. Количество выделяемой сейсмической энергии в процессе неустойчивого сдвига бортов разлома зависит от глубины залегания коллектора, падения пластово го давления, геометрических размеров нарушения, давления флюида в разломной зоне, а также от характеристик полной диаграммы сдвига пород по поверхнос ти раздела.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций дос тигается представительным объемом лабораторных и натурных измерений, применением широко распространенных и апробированных механических моделей горных пород и отлаженных программных продуктов, удовлетворительной сходимостью расчет ных и замеренных параметров процессов сдвижения.

Научная новизна работы:

- получены аналитические зависимости для расчета уплотнения коллекторов при снижении пластового давления в различных условиях, предназначенные для общей предварительной оценки напряженно-деформированного состояния горного массива при добыче углеводородов;

- исследованы характер и степень влияния различных факторов на параметры уплотнения коллекторов, напряженное состояние горного массива и оседания зем ной поверхнос ти при добыче нефти и газа;

- установлено, что в центральной час ти отрабатываемых пластов нефтегазо вых месторождений деформации коллекторов близки к условиям одномерного уп лотнения, а на флангах условия одномерного уплотнения не выполняются и напря женное состояние имеет более сложный вид;

- показано, что для расчета деформаций горного массива можно использовать показатели средневзвешенного плас тового давления и не учитывать неравномер ность давления, обусловленного работой отдельных добывающих скважин;

- впервые для отдельных месторождений Западной Сибири, территории ВКМКС, УНГКМ и АГКМ по результатам компрессионных испытаний получены параметры «шатровой» модели поведения коллектора под нагрузкой, которые могут быть использованы для расчетов НДС продуктивных объектов данных мес торожде ний;

- показано, что применение моделей горных пород “шатрового” типа для расче та деформаций коллекторов обеспечивает представительные результаты при боль шом разнообразии горно-геологических условий и физико-механических свойств продуктивных пород;

- разработана и реализована численная модель скольжения с разупрочнением для оценки возможности активизации разломных с труктур с использованием специ альной модели скальных пород, учитывающей контактные характеристики сдвига по поверхности раздела;

- выявлен характер и степень зависимости магнитуд техногенных сейсмических событий от различных факторов. Установлено, что величина магнитуды в наиболь шей степени зависит от глубины залегания коллектора и геометрических размеров разлома, а также от характеристик полной диаграммы сдвига пород по контакту.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород и опасных геодинамиче ских явлений на месторождениях нефти и газа для оценки степени технологическо го, экологического и экономического ущерба;

обосновании и внедрении мер охраны и мониторинга состояния ответс твенных объектов.

Реализация работы. Установленные на основе прогнозных расчетов парамет ры напряженно-деформированного состояния горных пород и земной поверхнос ти использовались для обоснования мер охраны подрабатываемых объектов и создания геодинамических полигонов, которые были внедрены на ряде нефтяных месторож дений Западной Сибири, севера Пермского края, Уренгойском и Астраханском газо конденсатных месторождениях. Результаты исследований вошли в нормативный до кумент - «Инструкцию по созданию наблюдательных станций и производству инс т рументальных наблюдений за процессами сдвижения земной поверхности при раз работке нефтяных месторождений в регионе Верхнекамского месторождения ка лийно-магниевых солей».

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследо ваний докладывались и обсуждались на следующих совещаниях, конференциях и конгрессах: международной конференции «Проблемы геодинамической безопасно сти» (Санкт-Петербург, 1997);

XI Российской конференции по механике горных по род (Санкт-Петербург, 1997);

международной конференции «Геодинамика и напря женное состояние недр Земли» (Новосибирск, 1999);

международной научно практической конференции «Геоэкология и современная геодинамика нефтегазо носных регионов» (Москва, 2000);

международной конференции «Проблемы добы чи и переработки нефти и газа в перспективе международного сотрудничества уче ных Каспийского региона» (Астрахань, 2000);

III Международном рабочем совеща нии «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении» (Санкт-Петербург, 2001);

XIII международ ном конгрессе по маркшейдерскому делу (Будапешт, 2007), на заседаниях ученого совета ПермГТУ, на технических советах ООО «Лукойл-Пермь», ООО «Лукойл Нижневолжскнефть», ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «Архангельскгеолдобыча», ООО «Юганскнефтегаз», ООО «Уренгойгазпром», ООО «Астраханьгазпром».

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 27 работах, включая 1 монографию, в том числе 17 – в ведущих рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, за ключения и изложена на 315 страницах машинописного текста, включая 108 рисун ков, 25 таблиц и библиографический список из 177 наименований.

Автор выражает свою искреннюю признательность сотрудникам кафедры “Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы” Пермского госу дарственного технического университета за плодотворное сотрудничество и пос то янное внимание к работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние изученности вопроса и задачи исследований Проблемы механики горных пород при разработке месторождений углеводоро дов довольно широко предс тавлены в многочисленных публикациях в ведущих ми ровых научных изданиях, т.к. практически все аспекты разведки и добычи углево дородного сырья касаются данной области знаний. Существенная час ть работ по священа таким проблемам, как прогноз и мониторинг деформаций земной поверх ности, прогноз и мониторинг техногенных сейсмических явлений, устойчивость и разрушение поверхнос тных нефтепромысловых систем.

Обобщение достаточно обширного опыта геодезического мониторинга дефор мационных процессов позволило выявить основные факторы, которые определяют возможность интенсивных и обширных просадок земной поверхности над длитель но разрабатываемыми месторождениями (Сидоров В. А., Кузьмин Ю.О.). Также с помощью инструментальных наблюдений выявлены типы современных геодинами ческих движений земной поверхности и механизмы их возникновения. Созданы мо дели расчета аномальных движений, ус тановлено их соответствие с региональными типами напряженного состояния земной коры (Кузьмин Ю.О.). Большие объемы ис следований выполнены в части разработки методов выделения активных разломов и геодинамически потенциально опасных зон, критерии оценки зон риска по различ ным параметрам, способы организации геодинамического мониторинга (работы ин ститутов ВНИМИ, ЗСФ ИНГГ СО РАН).

Одними из наиболее опасных проявлений геодинамической активности на ме сторождениях нефти и газа следует считать техногенные сейсмические события.

Для оценки интенсивности этих явлений разработаны математические модели, ко торые сводятся к расчету напряженно-деформированного состояния горного масси ва, содержащего поверхности ослабления (Дж.Райс, Барях А. А., Roest J.P.A., W.Kuilman). При этом показатели динамических смещений по разломным структу рам обычно определяют на основе упругой или упругопластических моделей. Для более точных расчетов требуется использование специальных моделей, учитываю щих полные диаграммы сдвига пород по плоскостям ослаблений.

Для расчета оседаний земной поверхности на месторождениях нефти и газа ис пользуются различные методы. Часть из этих методов аналогична применяемым на угольных и рудных мес торождениях и использует функции единичного влияния элементарного вынутого объема на земную поверхнос ть (Ю. П.Борисов, А.С. Маз ницкий, Л.М. Середницкий). Также известен метод расчета оседаний, разработан ный Geertsma и основанный на линейной теории упругос ти изотропной среды. Ука занные методы позволяют осуществлять достаточно надежный прогноз максималь ных оседаний земной поверхнос ти. Однако если в массиве горных пород имеются различные структурные неоднородности, то применение данных методов становится проблематичным.

В настоящее время при решении задач механики горных пород наиболее эф фективными стали численные методы. Большой вклад в развитие численных мето дов применительно к задачам расчета НДС горных массивов внесли Л.Мюллер, Г.Кратч, О.Зенкевич, Г.Н.Панде, В. Виттке, А.С.Ягунов, С.В.Кузнецов, М.В.Курленя, А.Б.Фадеев, В.Г.Зотеев, О.В.Зотеев, А. А.Барях, Ю.А.Кашников, В.М.Серяков.

В последнее время практически все работы, связанные с прогнозом оседаний на нефтегазовых месторождениях, также выполняются численными методами (Pande G.N., Boade R.R., Chin L. Y., Siemers W.T., Nagel N.B., Grant U.S., Plischke B., Sulak R. M., Thomas L. K., Э.В.Калинин, Н.Б.Артамонова и др.). При выполнении расчетов исследователи стремятся максимально подробно учесть особенности конкретных месторождений для повышения надежнос ти прогнозов. Однако такие работы вы полнены для ограниченного числа мес торождений и опыт подобных расчетов не обобщен.

В целом можно сказать, что недостаточно проработан комплексный подход к решению задачи прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород с учетом геологических и горнотехнических особенностей месторождений нефти и газа. Недостаточно исследовано влияние ряда важных факторов на параметры на пряженно-деформированного состояния, отсутствуют рекомендации по выбору наи более подходящих механических моделей горных пород и особенностям их приме нения. Решение указанных проблем предс тавляет собой важную научно практическую задачу, т.к. от этого зависит надежность прогнозных оценок влияния добычи нефти и газа на подрабатываемые объекты и геологическую среду.

2. Анализ инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности на месторождениях нефти и газа Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности являются наиболее надежным методом контроля за состоянием подрабатываемых объектов, а также необходимы для обоснования и калибровки расчетных моделей, применяемых для прогноза напряженно-деформированного состояния горного массива. Инс тру ментальные наблюдения были организованы при участии автора на всех основных объектах исследований диссертационной работы - Уренгойском (УНГКМ) и Астра ханском (АГКМ) газоконденсатных месторождениях, на нефтяных месторождениях севера Пермского края (Уньвинское, Чашкинское, Юрчукское, Сибирское, Шерш невское), на ряде месторождений Западной Сибири (Усть-Балыкское, Мамонтов ское, Приобское, Западно-Сургутское, Чумпасское, Ватинское, Варьеганское и др.).

Наряду с традиционными геодезическими наблюдениями по профильным линиям реперов широко применялись GPS-технологии, т.к. они дают возможность получать полные вектора сдвижений и осуществлять с довольно высокой точностью геодези ческий мониторинг обширных территорий месторождений углеводородов. В ходе работ по проектированию наблюдательных станций были сформулированы основ ные принципы организации инс трументальных наблюдений на месторождениях нефти и газа, которые вошли в нормативный документ - «Инс трукцию по созданию наблюдательных станций и производству инструментальных наблюдений за процес сами сдвижения земной поверхнос ти при разработке нефтяных месторождений в ре гионе Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей».

На рис.1 представлен характерный пример наблюдательной станции, созданной на Сибирском нефтяном месторождении на севере Пермского края. Станция состоит из нивелирной сети, включающей в себя 5 ходов общей протяженностью 27,5 км, а также GPS полигона. Суммарное количес тво реперов нивелирной сети составляет шт. GPS – полигон представляет собой совокупность пунктов, расположенных как на территории месторождения, так и за его границами. Все пункты жестко связаны между собой системой векторов, образуя единую сеть, которая обладает максималь ным количеством векторов на каждом пункте и большой избыточностью измерений, что в конечном итоге приводит к более высокой точности и надежнос ти координат ных определений. Количес тво пунктов GPS-сети 13 шт.;

количество измеряемых векторов в сети – 30;

площадь полигона составляет 73,3 км.

Рис. 1. Схема наблюдательной станции на Сибирском месторождении Анализ результатов наблюдений показывает, что вертикальные смещения большинс тва реперов на Сибирском, Шершневском, Логовском, Уньвинском и Чашкинском месторождениях не превышают 20-30 мм (рис. 2). В картине распреде ления вертикальных сдвижений не выявлено четких особенностей, однако наблю даются преимущественные оседания, что позволяет говорить о незначительных про явлениях процессов сдвижения, вызванных добычей нефти. Наблюдаются колеба ния отметок реперов, которые, скорее всего, вызваны неустойчивостью реперов в болотистом грунте, структурными особеннос тями поверхности, геодинамическими и локальными техногенными процессами. Максимальные оседания реперов состав ляют 15-35 мм. Результаты обработки GPS-наблюдений также показывают, что го ризонтальные и вертикальные величины смещений реперов часто не превышают предельных ошибок их определения. В целом можно утверждать, что величины смещений реперов весьма невелики, но в то же время отмечается устойчивая тен денция незначительных оседаний земной поверхности над отрабатываемым мес то рождением.





1999-2007 гг. 1999-2005 гг.

Кривая предельных с.к.п. полученных оседаний 1999-2002 гг.

Контур нефтеносности Вертикальные смещения, мм - - - - - - - - - 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Расстояния по периметру линии от куста опорных реперов I-II-III, км Рис. 2. Графики оседаний реперов по профильной линии Оп.RpI - Оп.RpV наблюдательной станции Сибирского месторождения Аналогичные результаты были получены на месторождениях Западной Сибири, где наблюдательные станции были созданы в районах крупных населенных пунктов.

Так, на Западно-Сургутском месторождении (район г.Сургут) максимальные оседа ния земной поверхнос ти не превышают 10 мм;

на Чумпасском месторождении в районе г.Лангепас за пять лет наблюдений (2001-2006 гг.) проявилась устойчивая тенденция оседаний земной поверхнос ти, хотя величины оседаний незначительны – 4-5 мм за период наблюдений. Сходные величины смещений зафиксированы на Варьеганском месторождении на территории г.Радужный, на Усть-Балыкском и Мамонтовском месторождениях (г.Нефтеюганск и г.Пыть-Ях) и ряде других. На на блюдательной станции Уренгойского газоконденсатного мес торождения (район г.Новый Уренгой) за период с 2003 по 2004 год были выявлены оседания реперов в среднем на 10 мм, при максимальных оседаниях 18 мм. На Астраханском газокон денсатном мес торождении за три года наблюдений (2003-2007г) четко сформирова лась мульда оседаний величиной до 24 мм (рис.3).

В целом можно констатировать, что созданная на месторождениях система мо ниторинга обеспечивает надежный контроль геомеханических и геодинамических процессов, сопровождающих отработку углеводородов. Результаты инструменталь ных наблюдений показывают ус тойчивую тенденцию оседаний земной поверхно сти, вызванных отработкой нефти и газа. Сами величины сдвижений при этом не значительны и составляют первые сантиметры. Нез начительные величины фикси руемых сдвижений объясняются тем, что выполненные инструментальные наблю дения охватывают сравнительно небольшой период времени (3-5 лет), а также тем, что на данном этапе нефтяные месторождения разрабатываются с заводнением, т.е.

без интенсивного снижения пластового давления.

2003-2004г 2003-2007г кривая предельных с.к.п. оседаний - оседания, мм - - - - - 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 расстояния по периметр у линии от гл.рп.5, км Рис. 3. Графики оседаний реперов по профильной линии гл.рп.5-гл.рп. наблюдательной станции Астраханского ГКМ за период 2003-2007 гг.

Однако сам факт наличия техногенных смещений земной поверхности говорит о необходимости прогноза и контроля напряженно-деформированного состояния горного массива при добыче нефти и газа вблизи ответственных объектов.

3. Применяемые механические модели горных пород и их параметрическое обеспечение Горные породы, слагающие мес торождения нефти и газа, чрезвычайно разно образны по своему составу, строению и свойствам. Применяемые расчетные модели должны, с одной стороны, отражать наиболее важные особенности механического поведения объекта, а с другой стороны, они должны быть достаточно простыми, чтобы их можно было использовать без чрезмерных затрат времени и средств. В ка честве основной модели пород-коллекторов применялась (наряду с наиболее про стой упругой моделью) “шатровая” модель, т.к. она хорошо подходит для расчета деформаций насыщенных пористых сред.

Основные уравнения модифицированной шатровой модели (МССМ - модель) формулируются при рассмотрении стандартных компрессионных испытаний, т.е.

дренированного нагружения образца породы в стабилометре эффективными напря жениями 1 2 = 3. Вводится эффективное гидростатическое напряжение, де виаторное напряжение q и коэффициент пористости e, как отношение объема пор к объему твердого тела: = (1/3)( 1 +2 3);

q = 1 - 3 ;

e=n/(1-n), где n- пористость.

Изменение коэффициента порис тости при нагрузке и разгрузке для большинст ва пористых пород можно представить в виде линейной функции от логарифма гид ростатического напряжения :

(1) e = N - ·ln;

e = ek - k·ln, где, k – углы наклона прямых соответственно при нагрузке и разгрузке;

N, ek – на чальные значения коэффициента пористос ти. При этом деформирование образца при разгрузке и повторной нагрузке считается упругим. Согласно основных поло жений шатровой модели изотропная компрессия образца под давлением рс образует зону упругости ОАрс (рис.4). Объемные пластические деформации сжатия будут возникать при выходе напряжений за границу поверхности текучести Арс, которая имеет вид эллипса со смещенным относительно начала координат центром. Соглас но ассоциированного закона пластического течения поверхность текучести одно временно является также поверхностью пластического потенциала, т.е.

q2 (2) F= Q = 2 + p c = 0, M где F, Q обозначают соответс твенно критерий разрушения и пластический потенци ал;

М – параметр линии критического состояния (CSL) вида q = M.

А О Рис. 4. Виды поверхностей течения в шатровой модели p Появление объемных пластических деформаций v означает упрочнение мате риала, т.е. расширение области упругос ти Арс по закону 1 + e0 p (3) p c = p c 0 exp v.

k В облас ти низких нормальных напряжений (при pc/2) упрочнение материала невозможно и появление плас тических деформаций связано с разрушением мате риала при сдвиге или при растяжении. В диаграмме -q форма критерия разрушения от сдвига аналогична критерию Кулона-Мора:

F = q tan * C*, (4) 6 sin где tg* = ;

C* = p c (M tg*) / 2.

3 sin При растяжении критерий разрушения записывают в виде F = -3 - p = 0, где p – прочность на растяжение.

При разрушении материала от сдвига или растяжения появляются пластические деформации увеличения объема (дилатансии). При этом параметр рс согласно (3) уменьшается и вместе с ним упругая облас ть, т.е. происходит разупрочнение. Одна ко следует отметить, что специфика деформирования коллекторов при падении пла стового давления в обычных условиях не создает условий для разрушения от сдвига или растяжения.

Большим преимуществом МССМ-модели является возможность учитывать раз личие в деформируемос ти пород при нагрузке и разгрузке. Если нагружение проис ходит по траектории, приблизительно нормальной к эллиптической поверхнос ти те кучести (что характерно для процесса уплотнения коллекторов), то модель хорошо описывает взаимосвязь напряжений и деформаций. Немаловажным достоинс твом также является малое число экспериментальных параметров:, k и М– три величи ны, определяемые при стандартных компрессионных и стабилометрических испы таниях.

Для оценки интенсивности техногенных сейсмических событий использовалась модель деформирования горных пород по системам трещин. Модель использует полные диаграммы деформирования скальных контактов, полученные В.Лейхнитцем и П.Ербаном на приборах прямого среза (рис. 5).

Допредельное r Пиковая деформирование Разупрочнение прочность p, p,2 n, Остаточная прочность n, 2 p, n, n сжатие s n,3 n,2 n,1 p s n =const s p s r n, n n, n, n= io поверхность трещины n Рис.5. Полная диаграмма деформирования по контакту скальных пород.

Согласно положений известной однородной модели В. Виттке составляется vp уравнение вязкопластичности для необратимых относительных перемещений { } берегов трещины:

1 Q {vp } = FT T & (5) T vp & где { } = n -вектор скорости нормальных и касательных вязкопластических & vp & vp s т смещений по трещине;

{ т} = { n, res} - нормальные и касательные напряжения в плоскости трещины;

FT, QT - критерий разрушения и плас тический потенциал.

Считая, что предельное сопротивление сдвигу р выражается критерием Джаге ра и с учетом полных диаграмм сдвига (рис. 5) были получены критерии разруше ния на стадиях упрочнения и разупрочнения. В стадии упрочнения (s р ) 2 s FT,1 = res { n tg + c [1 exp (- b n )]}. (6) s p p На стадии разупрочнения (s р ) FT,2 = res n [tg + (tg tg ) exp(- (s p ))] (7) c [1 exp(- b n )] exp(- ( s p )).

Соответс твующие значения час тных производных плас тического потенциала имеют вид:

tgi 0 n 2 s s Q T, Q T,1 = tgi 0 exp = 1;

(8) ;

n p c p res Q T,2 Q T, tgi 0 n exp [ ( s p ) ];

(9) = tgi 0 exp = 1.

n res c В этих формулах:

, с – угол внутреннего трения и сцепление;

*, io - остаточный угол внутреннего и угол дилатансии;

b = [tg(т + io ) - tg]/с;

т - угол внутреннего трения по трещине;

s, p – касательное смещение по трещине и его предельное значение;

- параметр ра зупрочнения.

Рассмотренная модель неоднократно применялась для прогноза НДС подраба тываемых скальных массивов рудных месторождений, где показала свою эффектив ность. Параметрами, которые в данной модели определяют характер полной диа граммы сдвига, являются предельное смещение по трещине р и параметр разупроч нения. Для определения этих характеристик требуется очень сложное и точное оборудование. В работе использовались табличные значения этих величин, полу ченные Лейхтницем, Ербаном и другими исследователями. С целью снижения с те пени неопределенности, вызванной использованием табличных значений р и, при выполнении расчетов производился анализ влияния данных параметров на расчет ные показатели напряженно-деформированного состояния массива.

При обосновании параметров расчетных моделей использовались непосредст венные испытания образцов горных пород, различные эмпирические зависимости и все доступные справочные данные. Были получены зависимости упругих свойств пород от глубины залегания и всестороннего давления. Так, ряд образцов известняка Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) был исследован в Инсти туте проблем механики РАН на специальной ус тановке испытательной системе трехосного неравнокомпонентного сжатия, которая позволяет создавать в образцах однородные напряженные состояния с любым соотношением напряжений 1, 2, 3.

Испытания показали, что наблюдается выраженный рост модуля упругости в 1,4-1, раза при росте эффективного давления до 60МПа (табл.1).

Таблица 1 - Зависимость модуля упругости известняка от всестороннего давления 0, МПа 15 30 45 Е, ГПа 19,2 23,7 27,1 29, Полученные зависимости в дальнейшем учитывались при математическом мо делировании НДС коллекторов.

Характерной особенностью пористых пород-коллекторов является наличие пус тот, благодаря чему законы их деформации имеют свою специфику. Для вычисления объемных деформаций порис той среды необходимы коэффициенты сжимаемости породы, пор и твердой фазы -, п, тв, между которыми существует зависимость:

= nп + тв, (10) где n – открытая пористос ть.

Родниковое м-ние,обр.5961- Шершневское м-ние, скв.79,обр. 0. 0. 0. Коэф-т пористости коэф-т пористости 0.170 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.155 0. 0 1 2 3 4 1 2 3 Ln(Р,МПа) Ln(P,МПа) Уренгойское м-ние,пл.Б у8,обр. Чум пасское м-ние,обр.38 2-2 21-10 п 0. 0. коэф-т п ористости коэф-т пористости 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0 1 2 3 0 1 2 Ln(P,МПа) Ln(P,МПа ) Рис.6. Примеры компрессионных кривых ряда месторождений.

При этом для песчано-глинис тых и карбонатных коллекторов коэффициент сжимаемости твердой фазы на один-два порядка ниже, чем коэффициент сжимаемо сти пор, т.е. объемная деформация пористых пород возникает главным образом за счет деформаций порового пространства. Для изучения сжимаемости порового про странства коллекторов производились компрессионные испытания, т.е. получали за висимость пористос ти (или коэффициента пористости) образцов от всестороннего эффективного давления при нагрузке и разгрузке (рис.6).

Компрессионная зависимость дает полное представление о деформируемости порового пространс тва, т.к. с ее помощью можно найти коэффициент сжимаемости пор в заданном интервале всестороннего давления:

п = n/(n) = e/(e), (11) где n - пористость, e - коэффициент пористос ти.

Поскольку сжимаемость твердой фазы значительно меньше сжимаемости пор, то общую сжимаемость породы можно без большой погрешности определить по формуле (10) с помощью табличных значений тв. Испытания показали, что в широком интер вале напряжений пористость можно представить в виде линейной функции от лога рифма всестороннего давления. Это дает основание применять для расчета дефор маций коллекторов хорошо разработанные «шатровые» модели.

Результаты выполненных испытаний в сочетании со справочными данными, известными эмпирическими и теоретическими зависимостями предоставляют доста точно материала для обоснования параметров механических моделей, которые при менялись для расчета показателей напряженно-деформированного состояния гор ных массивов на месторождениях нефти и газа. Для перехода от физико механических свойств образцов к соответс твующим показателям горного массива использовались известные эмпирические и теоретические зависимости, а также, при наличии необходимой информации, метод «обратных расчетов». В общем виде применение метода «обратных расчетов» состояло в следующем. На первом этапе выполнялась предварительная оценка физико-механических показателей на основе всей имеющейся информации – лабораторных экспериментов, справочных данных, эмпирических и теоретических зависимостей. На втором этапе производилась серия расчетов НДС массива с вариацией входящих параметров. На данном этапе выявля лись наиболее значимые факторы, устанавливались характер и степень их влияния на расчетные показатели НДС горных пород. Наконец, на третьем этапе с учетом выявленных закономерностей производилась окончательная калибровка моделй для наилучшего соответствия расчетных и экспериментальных данных. Анализ мирово го опыта показывает, что именно такой подход обеспечивает наилучшую надеж ность прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния горного масси ва.

4. Прогноз напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке месторождений углеводородов Породы, залегающие на больших глубинах, практически всегда насыщены од ним или несколькими флюидами (обычно водой, нефтью или газом). Изменение пластового давления при добыче флюида оказывает сильное влияние на механиче ское состояние породы. В некоторых случаях (например, при термических способах добычи или при закачке воды для поддержания пластового давления) на напряжен но-деформированное состояние могут влиять температурные эффекты. Однако большинс тво процессов, происходящих при добыче нефти и газа, можно считать изотермическими. В этом случае уравнения закона Гука имеют вид:

2G tx = K + 2G x + p;

3v 2G ty = K + 2G y + p;

3v (12) tz = K 2G v + 2G z + p;

xy = G xy;

tyz = G yz ;

tzx = G zx, t t где ij - полные напряжения;

K, G – модуль объемного сжатия и модуль сдвига;

р – поровое давление;

- коэффициент разгрузки.

Для полной характерис тики упругой пористой среды уравнения состояния (12) должны быть дополнены уравнением фильтрации находящегося в порах флюида:

1 p k v = 2 p, (13) t t где – модуль Био;

k, - проницаемость породы и вязкость флюида;

v – объемная деформация породы.

В наиболее общем варианте для расчета напряженно-деформированного со стояния пористой среды необходимо совместное решение уравнений теории упруго сти (12) и уравнения фильтрации (13). Однако в ряде случаев, при определенных ви дах напряженного состояния, можно упростить вид уравнения фильтрации и решать его независимо от уравнений теории упругос ти. Например, если деформирование пород происходит с сохранением постоянного объема (v =0), то уравнение фильтра ции преобразуется к виду p k = 2 p, t n ( f + 1 ) где f – сжимаемость флюида;

1 - сжимаемость породы при v =0.

Другие характерные виды напряженного состояния возникают при одномерном t t t уплотнении (x=y =0, z = const), при плоской деформации (z= 0, x = y = const) и t t t при постоянстве среднего давления: ( x + y + z)/3 = const. В этих случаях в урав нении фильтрации будут фигурировать коэффициенты сжимаемости породы 2, 3 и 4. Т.е., уравнение фильтрации в общем виде записывается p k (14) = 2 p, t n (f + r ) где r – некоторый постоянный коэффициент сжимаемости породы. При этом можно показать, что при произвольном напряженном состоянии выполняется соотношение 1 r 4. Уравнение (14) решается независимо от уравнений теории упругости, т.к. не содержит в явном виде v. Коэффициент сжимаемости флюида обычно значи тельно больше сжимаемости породы, поэтому общая сжимаемость системы флюид порода общ=(f+r) определяется в основном коэффициентом f. В качес тве примера в табл.2 представлены коэффициенты сжимаемости, рассчитанные для условий, ха рактерных для нефтяных месторождений севера Пермского края.

Таблица 2 - Коэффициенты сжимаемости системы флюид-порода 1 2 3 - Сжимаемость породы r, МПа -5 -4 - 1,925·10- 3,25·10 1,214·10 1,658· - 1,121·10-3 1,166·10-3 1,192·10- Общая сжимаемость общ, МПа-1 1,032· Можно видеть, при изменении коэффициента сжимаемости породы от мини мального значения 1 до максимального 4 общая сжимаемость системы общ изме няется довольно незначительно – на 15%, а для наиболее вероятных значений (от 2 до 3 ) изменяется еще меньше – на 5%. Подобное соотношение между коэффици ентами сжимаемости характерно для большинства практических случаев, поэтому гидродинамическое моделирование разработки нефтяных и газовых месторождений производится на основе уравнений вида (14), т.е. деформационные свойства горных пород учитываются применением соответствующих коэффициентов сжимаемости r.

Приведенные сведения показывают, что для расчета напряженно-деформиро ванного состояния горных массивов на месторождениях нефти и газа в общем слу чае нет необходимости в разработке строгих методов совместного решения уравне ний теории упругости (плас тичности) и фильтрации флюида. Для решения пос тав ленных в работе задач с достаточной для практических целей точностью целесооб разно использовать геомеханические модели и методы расчета НДС насыщенных пористых сред при использовании показателей пластового давления в качестве ис ходных данных.

Наиболее простой вид напряженного состояния при добыче нефти и газа воз никает при одномерном уплотнении, т.е. при отсутствии горизонтальных деформа t ций ( x=y =0) и постоянстве полных вертикальных напряжений ( z = const). Для данных условий из уравнений закона Гука (12) можно найти вертикальную дефор мацию уплотнения:

z = (p0 p) = c М p, (15) 4G K+ где см - коэффициент одномерного уплотнения;

р – падение давления.

Уравнение (15) можно применять для глубоко залегающих плотных низкопо ристых пород, деформации которых при больших давлениях с дос таточной с тепе нью точности соответствуют теории упругости. В более общем случае необходимо учитывать специфические законы деформации пористых сред. Работы К. Терцаги, М. Био, Ф. Гасмана, В.М.Добрынина показывают, что объемные деформации по ристой среды складываются из деформаций твердой фазы и порового пространства t при изменении внешнего всестороннего давления и давления жидкости в порах:

dV = d( t p) + твdp. (16) V Данное уравнение преобразовывается к наиболее простому виду при использо вании принципа эффективных напряжений:

dV = (d dp) = d( p) = d. (17) t t V Слабой стороной методики использования эффективных напряжений является неопределенность, связанная с учетом изменения коэффициента разгрузки при росте всестороннего давления. Однако в большинстве практических случаев зави симость коэффициента разгрузки от давления можно не учитывать, поэтому в расче тах использовались эффективные напряжения. Сжимаемос ть твердой фазы коллек торов принималась по табличным данным (для песчано-глинис тых коллекторов тв -1 - = 0,030 ГПа, для карбонатных – тв = 0,025 ГПа ), сжимаемость пор определялась по результатам компрессионных испытаний на основе зависимостей (1):

1 de 1 n п = =. (18) e d n С учетом этих соотношений можно найти объемную деформацию коллектора при изменении эффективного давления от 1 до 2 :

d 2 v = (1 n) + тв d. (19) 1 На основе выражения (19) были получены аналитические зависимости для рас чета вертикальных деформаций уплотнения в различных условиях– при снижении давления в подстилающих водоносных слоях, с учетом и без учета сжимаемости твердой фазы, для коллектора большой толщины. Наиболее простой вид имеет фор мула для расчета уплотнения без учета сжимаемости твердой фазы:

z, (20) h = h (1 n) ln, z, где h – уплотнение;

h – начальная толщина коллектора;

z,1, z,2 – начальное и ко нечное значение эффективных вертикальных напряжений.

Специальные сопоставительные расчеты показали, что использование таблич ных значений для сжимаемости твердой фазы коллекторов обеспечивает достаточ ную для практических целей точнос ть. Даже при неучете сжимаемости твердой фа зы погрешность расчета вертикальной деформации обычно не превышает 10%. Это подтверждает правомернос ть использования механических моделей «шатрового» типа. Поскольку величина одномерного уплотнения предс тавляет собой верхний предел возможных оседаний поверхности, то полученные аналитические зависимо сти позволяют сделать предварительные выводы об общем уровне напряженного состояния массива. Это дает возможность в дальнейшем более обоснованно подхо дить к построению общих расчетных моделей изучаемых объектов.

Подробные расчеты напряженно-деформированного состояния выполнялись методом конечных элементов. Реализация модельных представлений основана на теории вязкопластичности, т.е. считается, что общие деформации состоят из упру гой и необратимой вязкопластической составляющих:

{}={el }+{vp }. (21) Упругие деформации рассчитываются на основе закона Гука, для определения вязкопластических деформаций используется известное соотношение:

при F { / t}= { }= 1 F Q при F 0, (22) vp vp & где - параметр вязкости, играющий роль регулятора сходимости итерационного процесса. Непосредственно деформации находятся путем численного интегрирова ния (22) по времени:

t (t ) = { vp}dt. (23) vp & Реализация моделей была выполнена в конечно-элементных программах “GEOTECH” (разработка ПермГТУ) и “ANSYS”.

Характерной особенностью расчетов деформаций насыщенных сред является учет плас тового давления на основе соотношения между полными и эффективными напряжениями:

t { } = {} + {m}p, (24) t t t t t t t т где { } = { x, y, z, xy, yz, zx} – полные напряжения;

т {} = { x, y, z, xy, yz, zx} – эффективные напряжения;

т {m} = {1, 1, 1, 0, 0, 0}.

С учетом (24) можно получить общее соотношение МКЕ в виде:

[Ke ] {e} = {Fe} - {Fep }, (25) e где {F p} – вектор дополнительных узловых сил, обусловленных давлением насы щающей жидкости.

С помощью выражения (25) был решен ряд модельных задач для исследования характера и степени влияния различных факторов на параметры уплотнения коллек торов и деформации горного массива. Рассматривались как общие моменты модели рования напряженного состояния горных массивов (выбор типа и размеров модели, задание граничных условий), так и специфические особеннос ти, характерные для месторождений углеводородов. Было ус тановлено, что ориентировочные размеры расчетной области по вертикали и горизонтали должны быть в 46 раз больше соот ветственно глубины и радиуса коллектора. При данных размерах влияние типа зада ваемых граничных условий становится несущественным. Рассмотрение объемной задачи с коллектором эллиптической формы показало, при соотношении большой и малой полуосей a/b 2 профиль мульды сдвижения вдоль малой полуоси эллипса можно определять расчетом на плоской модели (плоская деформация).

Для анализа полного характера уплотнения коллекторов была выполнена серия расчетов осесимметричной модели, в которых варьировалось отношение G/Gk (Gk модуль сдвига пород коллектора, G - модуль сдвига вмещающих пород) и отноше ние R/H (R – радиус коллектора, H – глубина залегания). По результатам расчетов max строились графики относительного уплотнения (h/h ) в зависимости от текуще го радиуса r (рис.7) для анализа характера уплотнения на всем протяжении продук ma x тивных пластов (максимальное значение h соответствует условиям одномерного уплотнения).

G/Gk: 0.2 0.5 1 1.5 2 R/H: 1 2 0. 0. 0. 0. 0. 0.8 0. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 r/R Рис. 7. Влияние упругих свойств вмещающих пород и геометрических размеров коллекторов на характер их уплотнения.

Было установлено, что уплотнение коллекторов в целом выше при более сла бых вмещающих породах, особенно на границах облас ти снижения давления. В то же время в центральной час ти уплотнение близко к максимальному и слабо зависит от жесткости вмещающих пород. Уплотнение также увеличивается с ростом радиуса коллектора, однако уже при R/H 2 влияние этого фактора становится несущест венным. Наконец, относительное уплотнение коллектора зависит от его начальной толщины. При прочих равных условиях относительное уплотнение выше для более тонкого коллектора, что проявляется на флангах залежи;

в центральной части влия ние этого фактора практически отсутствует. В целом результаты данных расчетов показали, что даже при небольшом отношении R/H деформации коллекторов в цен тральной части нефтегазовых месторождений близки к условиям одномерного уп лотнения. Однако в краевых час тях области снижения исходного плас тового давле ния условия одномерного уплотнения не выполняются и напряженное состояние имеет более сложный вид. Оседания земной поверхности, кроме вышеназванных параметров, зависят также от соотношения жесткости покрывающих и подстилаю щих пород. Наибольшие оседания земной поверхности имеют мес то при более же стких подстилающих породах. В целом степень влияния упругих свойств вмещаю щих пород на уплотнение коллекторов и оседания земной поверхности уменьшается с ростом размеров коллектора, т.е. деформации горного массива определяются пре жде всего величиной уплотнения продуктивного слоя.

Далее была рассмотрена зависимость параметров напряженно-деформирован ного состояния от ряда специфических факторов: неравномерности распределения пластового давления в продуктивных слоях, куполообразного строения коллекторов нефти и газа, распространения воронки депрессии за пределы залежи. Указанные факторы в той или иной мере характерны для всех месторождений нефти и газа, од нако подробный анализ их влияния на НДС горных пород в литературных ис точни ках отсутствует.

Помимо естес твенной геологической неоднородности продуктивных пластов, неравномерность распределения пластового давления вызывается самим характером работы добывающих скважин. Распределение давления в зоне влияния отдельной скважины имеет осесимметричный характер и может быть найдено из выражения 2tD rD R 3 (26) p D ( rD, t D ) = 2 + + ln D, R D 2R 2 rD D где RD, rD, рD и tD –безразмерные величины: RD = Rk /Rc;

rD = r/Rc;

tD = kt / (nобщR c);

pD = 2kh [p0 -p] / (Q).

В этих формулах: r, t – текущий радиус точки и текущее время работы скважи ны;

Rk - радиус контура питания;

Rc – радиус скважины;

k – проницаемость пласта;

h – толщина плас та;

- вязкость флюида;

n – пористос ть;

общ – коэффициент сжи маемости системы флюид-порода;

p0, р – начальное и текущее пластовое давление.

На рис.8 показана эпюра пластового давления для одного из расчетных приме ров и соответствующие ей деформации уплотнения коллектора. Расчетная эпюра уплотнения соответс твует картине падения пластового давления, однако величины уплотнения в центре модели и на контуре питания составляют 61.0 и 60.8мм, т.е.

различаются совершенно незначительно. При этом, если использовать средневзве шенное значение давления, то уплотнение составит 61.6мм. Данный пример пока зывает, что в большинстве случаев для расчета деформаций горного массива можно не учитывать неравномернос ть плас тового давления, обусловленного работой от дельных скважин. Этот вывод имеет важное практическое значение, т.к. при исполь зовании показателей средневзвешенного давления нет необходимос ти существенно го сгущения конечно-элементных сеток в районе добывающих скважин, что упро щает пос троение расчетных моделей.

п ласт.давление уплотнение 14 61. Рср уплотнение,мм давление,МПа 13 61. 12 60. 11 60. 10 60. 0 50 100 150 200 r,м Рис. 8. Пластовое давление и уплотнение коллектора в зоне влияния скважины Следующий рассматриваемый фактор связан с тем, что коллектора нефти и газа имеют куполообразное строение, т.к. приурочены к сводовым частям геологических структур-ловушек углеводородов. Поскольку углы наклона крыльев складок состав ляют первые градусы или даже минуты, расчетные модели обычно строят в виде прямолинейных пластов с постоянной глубиной залегания. Влияние подобной идеа лизации геометрии залежи было рассмотрено на численном примере коллектора толщиной 50 м, радиусом R=1500 м, залегающего на глубине Н=1500 м (рис.9).

Предполагалось, что водонефтяной контакт расположен на 100м ниже купольной части, что при данных размерах залежи является довольно большой величиной. Рас считывались оседания земной поверхнос ти, которые сравнивались с аналогичными величинами для коллектора плоской формы с постоянной глубиной залегания Н=1500 м.

Рис. 9. Фрагмент конечно-элементной модели коллектора куполообразной формы В базовом варианте (Е=5000 МПа;

=0,2;

падение давления 5 МПа) максималь ное оседание поверхнос ти для плоского коллектора составило 28.9 мм, для куполо образного – 27.8мм, т.е. меньше на 4%. Данное явление можно объяснить тем, что сводчатая структура вмещающих пород является более жесткой. С увеличением размеров коллектора разница в оседаниях уменьшается. Расчеты показали, что осе дания поверхнос ти для двух вариантов геометрии коллектора практически не разли чаются уже при радиусе R=3000 м, т.е. при R/Н=2. Т.о., идеализация геометрии кол лекторов в виде плоских пластов с пос тоянной глубиной залегания наиболее замет на для месторождений с малым отношением R/Н. При этом допущение о плоской форме коллектора дает незначительное увеличение сдвижений массива, т.е. обеспе чивает расчетам некоторый запас прочности.

Явление распространения воронки депрессии за пределы водонефтяного (или газоводяного) контакта связано с тем, что после пуска скважин в эксплуатацию за счет перепада давлений начинается приток законтурных вод в залежь. Общие осо беннос ти развития деформационных процессов при падении давления за пределами залежи были рассмотрены на численном примере коллектора радиусом R=3000м, глубиной Н=1500 м и толщиной 100м. При Е=5000 МПа, =0,2 и падении давления 5 МПа максимальное уплотнение коллектора составляет 90 мм. Рассчитывались де формации земной поверхности при распространении депрессионной воронки за пределы залежи на некоторое расстояние R, которое варьировалось от 0 до 1.0R.

Если в базовом варианте (депрессионная воронка не выходит за пределы залежи) граничный угол сдвижения, определяемый на точку с оседанием 10мм, составил 50°, то при R=3000 м граничный угол дос тиг 27°. Данный пример служит объяснением того факта, что на ряде месторождений инс трументальные наблюдения фиксируют аномально низкие углы сдвижения. Так, на Уренгойском газоконденсатном мес тро ждении установлено, что мульда оседания земной поверхности распространяется за границы ГВК до 8-10км, т.е. граничный угол сдвижения доходит до 10-15°. Это можно объяснить только падением давления в областях, удаленных от газоводяного контакта. Указанные особенности необходимо учитывать при проектировании инс т рументальных наблюдений за сдвижением земной поверхности. При определении длин профильных линий целесообразнее всего руководствоваться накопленными сведениями о граничных углах сдвижения на уже исследованных месторождениях со сходными горно-геологическими условиями. При отсутствии таких данных ми нимальное значение граничного угла сдвижения необходимо определять расчетны ми методами с максимальным учетом особенностей конкретного месторождения.

В целом выполненный анализ влияющих факторов дает возможность оценить последствия определенной схематизации геометрических и деформационных пара метров, которая неизбежна при построении расчетных моделей реальных объектов.

Должный учет выявленных закономерностей позволяет повысить обоснованность прогнозных оценок напряженно-деформированного состояния горных массивов при добыче нефти и газа.

Далее были рассмотрены особенности применения МССМ-модели для прогноза напряженно-деформированного состояния горных массивов при добыче нефти и га за. МССМ-модель пренебрегает сжимаемостью минеральных зерен скелета породы, что, согласно выполненных исследований, вполне допус тимо для большинства практических случаев. При разгрузке и повторной нагрузке породы поведение мате риала считается упругим и коэффициент сжимаемости находится по значению ин декса декомпрессии k:

k (27) = n п =.

(1 + e) Используя соотношения теории упругости, можно установить зависимость ме жду индексом декомпрессии k и упругими параметрами Е и :

1 3(1 2 ) k = = =. (28) (1 + e) K E При первичной нагрузке подобное простое соотношение между упругими и компрессионными параметрами существует только для условий одномерного уп лотнения, когда вертикальные и горизонтальные эффективные напряжения связаны уравнением x = y = k0 z, где k0 - коэффициент бокового давления при первичном уплотнении:

3 k0 =, 2 0 + (29) 0 = ( 9 2 + 4M 2 3 );

= 1 k/.

где В этм случае можно формально ввести некоторый ‘пластический’ коэффициент Пуассона по соотношению pl = k0 /(1+k0) и установить зависимость между компрес сионными параметрами, k0 и характерис тиками линейно-деформируемой среды.

Если напряженное состояние коллектора близко к условиям одномерного уплотне ния, такой подход дает хорошее соответс твие с численными расчетами на основе МССМ-модели. В определенных условиях это может быть полезно с точки зрения экономии компьютерных ресурсов.

Особенности напряженно-деформированного состояния горного массива при уплотнении коллекторов согласно МССМ-модели были рассмотрены на ряде при меров, условия которых обеспечивали максимальную величину уплотнения от мм до 2.7 м. В одном из примеров рассматривался коллектор толщиной 50 м, радиу сом 6000м, залегающий на глубине 2000 м. Пористос ть коллектора 20%, = 0,010, k = 0,005, =0,20, М=0,984, объемный вес покрывающих пород 0,022 МН/м. Рассчи тывались деформации коллектора и горного массива при снижении пластового дав ления от 20 до 14 МПа. Данные условия обеспечивают максимальное уплотнение 90мм. Расчетный характер напряженного состояния коллектора и горного массива показан на рис. 10.

, М Па q, МПа B C A 0 5 10 15 20 25, МПа Рис. 10. Характер напряженного состояния коллектора при падении плас тового давления Касательные напряжения в горном массиве приурочены к краевой части про дуктивной зоны и весьма малы по величине, что легко объясняется незначительным уплотнением коллектора. Если взять две точки в центре модели и на краю продук тивной зоны, то в них исходное напряженное состояние коллектора одинаковое и в диаграмме q - характеризуется точкой А (рис.10). Параметр рс, задающий началь ную границу эллиптической области упругих деформаций, равен 22,6 МПа. После падения пластового давления на 6 МПа напряженное состояние коллектора в центре модели достигает точки В и формирует новую, более обширную облас ть упругих деформаций с параметром рс= 28,2 МПа. Точки А и В лежат на прямой c уравнением q=0 ·, т.е. прирост эффективных горизонтальных напряжений соответствует теоре тическому значению коэффициента бокового давления. Напряженное состояние в краевой части коллектора характеризуется точкой С, которая лежит выше линии од номерного уплотнения, т.е. девиаторная час ть тензора напряжений прирас тает ин тенсивне. Тем не менее, точка С не достигает предельной линии q=М·, т.е. разу прочнения не возникает и коллектор в краевой зоне также деформируется в режиме уплотнения.

Расчеты, выполненные для условий существенного уплотнения коллектора (2. м), показали сходные результаты. Несмотря на значительные абсолютные величины сдвижений, касательные напряжения в горном массиве оказались довольно неболь шими. Данный факт можно объяснить тем, что сдвижения распределяются на значи тельные области горного массива. Напряженное состояние в краевой части коллек тора не дос тигает предельной линии q=М·, т.е. породы также деформируются в режиме уплотнения. При этом рост эффективной нагрузки происходит по траекто рии, приблизительно нормальной к эллиптической поверхнос ти текучести. Данные расчеты показывают, что применение МССМ-модели для расчета деформаций кол лекторов обеспечивает представительные результаты при большом разнообразии горно-геологических условий и физико-механических свойств продуктивных пород.

5. Деформирование пород на контактах блоковых структур и оценка интенсивности техногеннх сейсмических явлений Геодинамические процессы довольно широко распространены при разработке полезных ископаемых, в том числе при добыче нефти и газа. В основу современных представлений о геодинамике недр и земной поверхности при добыче полезных ис копаемых положена концепция блочной структуры горного массива, развитая в ра ботах И.М. Петухова, И.М.Батугиной и многих других ученых. Известно, что сама по себе блочная с труктура массива вследствие различия физико-механических свойств отдельных блоков и контактных зон порождает весьма неравномерное рас пределение тензора напряжений. Разработка твердых полезных ископаемых или до быча нефти в условиях неравнокомпонентного исходного поля напряжений может многократно усилить опасность техногенного воздействия на недра. Современные геомеханические модели и методы позволяют с любой степенью детальности иссле довать поведение блочных сред, однако неопределеннос ть входящих в расчетную модель параметров позволяет получать только сильно приближенные решения. При рассмотрении задач о механическом поведении блочных массивов необходимо ана лизировать расчетные облас ти размерами в сотни метров или даже десятков кило метров, включающие в себя слагающие блоки и разграничивающие их разломные зоны. Очевидно, что параметрическое обеспечение таких моделей весьма проблема тично, т.к. знание физико-механических свойств огромных массивов и разломных зон в принципе невозможно. Тем не менее, используя результаты маркшейдерско геодезических измерений деформаций больших территорий, методом обратных рас четов можно получить значения входящих параметров, которые дают удовлетвори тельное соответствие наблюдаемым на практике деформациям. Несмотря на всю от носительнос ть, такой подход позволяет на качественном уровне исследовать пове дение блочного массива.

Подобные расчеты были выполнены для анализа напряженного состояния блочной с труктуры горного массива в регионе Верхнекамского месторождения ка лийно-магниевых солей (ВКМКС). Моделируемый учас ток массива имеет размеры по глубине 5,0 км, в плане 4545 км и захватывает гг.Березники и Соликамск. За ос нову расчетной модели были взяты тектонические блоки II,III,IY,Y рангов, выде ленные на территории ВКМКС проф. В.В.Филатовым (Уральский государственный горный университет, г.Екатеринбург). На данной модели были рассмотрен ряд си туаций, способных вызвать аномальные движения земной поверхности, зафиксиро ванные геодезическими наблюдениями в разломных зонах. Анализировалась реак ция блочного массива на природные сейсмические воздействия, вызванные незначи тельным природным землетрясением интенсивностью 3-4 балла. Расчеты показали, что при действии волны сжатия на земной поверхности в районе нарушений возни кает всплеск поднятий, масштабы которого зависят от упругих свойств блоков и разломных зон. При действии волны растяжения соответственно возникают оседа ния поверхности. В качественном плане полученные смещения соответс твует - и аномалиям современных движений земной поверхнос ти, которые были типизирова ны В. А. Сидоровым и Ю.О. Кузминым. Данные результаты позволяют сделать вы вод о том, что аномальные величины вертикальных движений земной поверхности, являющиеся час тью геодинамической обстановки, могут быть обусловлены природ ной сейсмичностью региона.

На другой модельной ситуации рассматривалась возможность возникновения аномалии в результате изменения физико-механических свойств среды, слагающей разлом. Изменения свойств могут быть вызваны, например, выпадением атмосфер ных осадков, изменением гидрогеологического режима и другими природными фак торами. Рассматривалось изменение упругих свойств относительно начального зна чения в разломной зоне шириной 100 м на глубину от поверхности на 100 м. Расче ты показали, что в зависимости от изменения модуля упругос ти можно наблюдать изменение глубины прогиба возникающей мульды и упругое поднятие краев борта.

Таким образом, аномальные просадки поверхнос ти в районе нарушения ( аномалии) могут объясняться, помимо фоновой сейсмичнос ти региона, сезонными изменениями свойств нарушения в результате действия различных природных фак торов.

Данные расчеты, с одной стороны, показывают высокую степень относительно сти задач расчета напряженно-деформированного состояния больших объемов гор ного массива. Меняя такие весьма неопределенные параметры, как геометрия раз лома, физико-механические свойства блоков и разломных зон, можно получать са мые различные величины смещений. С другой стороны, полученные деформации в качественном плане вполне соответствуют экспериментальным данным. Это дает возможность выполнить оценку сдвижений и деформаций, возникающих на контак тах блоковых структур вследствие добычи углеводородов.

Задача была рассмотрена для условий, характерных для нефтяных месторожде ний севера Пермского края. Рассчитывалось напряженно-деформированное состоя ние горного массива при падении плас тового давления на 5 МПа в продуктивном пласте мощностью 30 м, находящегося на глубине 2000 м. Характеристики продук тивных пород (Е = 2000 МПа, = 0.25) в данных условиях обеспечивают макси мальное уплотнение коллектора величиной h = 62.5 мм. Предполагалось, что в краевой части коллектора по всей мощности разреза проходит субвертикальная зона междублокового контакта (рис.11).

без зоны ослабления с зоной ослабления - оседание,мм - - - - зона ослабления - - 0 1000 2000 3000 4000 5000 L,м Рис. 11. Мульды оседания при наличии и отсутствии зоны ослабления мощностью 100 м (k = 0.2).

Поскольку ширина контактных зон является крайне неопределенным парамет ром, ее мощность в расчетах варьировалась от 100 до 500 м. Модуль упругости по род в контактных зонах определялся в зависимости от модуля упругости пород со ответствующего слоя по соотношению Е' = E0 k, где Е', E0 - модуль упругости со ответственно нарушенных и ненарушенных пород, k – коэффициент ослабления.

Коэффициент ослабления k варьировался от 0,8 до 0,2. Расчеты показали, что зоне нарушения наблюдается некоторая концентрация деформаций, где на контакте на рушенных и ненарушенных пород происходит прирост оседаний относительно мульды сдвижения в монолитном массиве (рис.11). Величина прироста оседаний определяется мощностью и физико-механическими свойствами ослабленных пород.

Оседания возрастают при снижении упругих свойств пород и уменьшении ширины ослабленной зоны. Выполненные расчеты, несмотря на их условность, дают общее качественное представление о характере деформаций на контактах блоков при до быче углеводородов.

Основной вывод заключается в том, что заметные деформации могут возникать на узких (мощностью до 50-100 м), линейно вытянутых зонах ослабления, запол ненных сильно дислоцированными, разрушенными породами. Данные результаты относятся к деформациям, которые обусловлены техногенным фактором, т.е. добы чей нефти или газа. Собственно геодинамические, т.е. вызываемые природными причинами, аномальные движения земной поверхнос ти практически не поддаются расчетам и прогнозам и подлежат контролю с помощью систем геодинамического мониторинга.

При анализе геодинамической обс тановки на месторождениях нефти и газа од ной из наиболее важных задач является прогноз интенсивнос ти техногенных сейс мических явлений. Известные математические модели очага техногенного (а в от дельных случаях и природного) землетрясения говорят о нем как о модели неустой чивого роста трещины в разломе, т.е. активизации существующих тектонических разломных структур в форме сдвига их бортов. Впереди развивающейся в разломе магистральной трещины возникает область объемного разрушения за счет создания множества микротрещин. Трущиеся при сдвиге борта разлома порождают дробле ный материал, в результате чего большая часть энергии, высвобождаемой при сдви ге, расходуется на образование в бортах разлома зоны дробленой породы. Указан ным представлениям соответствует известная модель скольжения с разупрочнением Дж.Райса (рис. 12).

Разлом Вершина подвигающейся трещины * res p * res p p s Рис. 12. Модель активизации тектонического разлома Началу скольжения по разлому соответствует дос тижение касательным напря жением res своего максимального значения р. До этого наблюдается как рос т каса тельного напряжения, так и рост касательного к поверхности разлома смещения s.

При достижении величиной s значения p (и соответственно касательного напряже ния р ) начинается неустойчивый рост трещины в разломе и падение касательных напряжений до величины остаточной прочности *. При достижении остаточной * прочности перемещение s может расти неограниченно при неизменной величине, что соответствует свободному перемещению данного учас тка одного борта разлома относительно другого, расположенного за пределом зоны разупрочнения.

* Разность параметров (р - ) рассматривается как сброс напряжений. Скорость высвобождения энергии при подвигании сдвиговой трещины (энергия разруше ния) дается выражением:

u { [u] } (u ), = (30) d res * где u - величина перемещения при скольжении.

Рассматриваемая задача сводится к расчету НДС горного массива, содержащего поверхности ослабления. Для реализации модели Дж.Райса хорошо подходит мо дель деформирования пород по системам трещин, т.к. она использует полную диа грамму деформирования пород по контактам (рис. 5), которая практически анало гична модели скольжения с разупрочнением (рис. 12). Реализация модели для оцен ки магнитуд техногенных сейсмических событий заключаются в следующем.

Разлом представляется средой, разбитой системой трещин вдоль поверхнос ти раздела. В результате численного решения методом конечных элементов задачи скольжения с разупрочнением в каждом элементе разлома, где касательные смеще * ния s превысили величину p, определяется сброс напряжений (р - ). Также опре деляется разница между касательным смещением s* на учас тке стабилизации итера ционного процесса и величиной р. Значение высвобождающейся в i-м элементе энергии находится как * * i=(р - )(р - s ), (31) где s* - максимальное достигнутое касательное смещение в i-м элементе.

Единичное значение энергии для решаемой задачи находится как среднее зна чение по элементам, вышедшим в запредельное состояние. Нормированное значение высвобождающейся энергии получается путем перемножения найденной величины на вертикальный размер L зоны запредельного состояния:

1 n = L ( p * ) ( p sp ), (32) i =1 n где n – число элементов, вышедших в запредельное состояние.

Полная энергия сейсмического события получается перемножением нормиро ванного значения (32) на линейный размер зоны сдвига по простиранию разлома.

При этом допускается определенный произвол в выборе размеров сдвигающихся зон, однако расчеты говорят о том, что это не имеет существенного значения.

Оценочные расчеты магнитуд сейсмических явлений были выполнены приме нительно к отработке Уньвинского нефтяного месторождения на территории Перм ского края. На первом этапе были рассчитаны оседания горного массива при паде нии давления на 6, 10 и 20 МПа. Применяемые при этом параметры модели были определены из условия наилучшей сходимости расчетов с результатами инструмен тальных наблюдений. На втором этапе более детально рассматривался расчетный фрагмент в районе коллекторов, вырезанный из общей расчетной схемы (рис. 13).

600 м Пласт Бш - зоны влияния карбонаты нагнетательных тектонический разлом скважин - терригенные породы Пласт Тф 1500 м Рис.13. Общая расчетная схема задачи активизации разлома В качес тве граничных условий на границах фрагмента задаются перемещения, полученные из решения общей задачи. Оценивалась возможность возникновения динамических подвижек по нарушению в виде ослабленной вертикальной зоны мощностью 5 м, рассекающей продуктивную толщу и слой карбонатов. Для прочно * стных свойств разломной зоны задавалось С = 0,05 МПа, = 20°, = 10°, о = 10°, р, = 1,0 мм.

Расчеты показали, что без противодавления жидкости в разломе сдвига его бор тов не возникает даже при падении давления в коллекторах на 20 МПа. Возмож ность динамических сдвижений возникает при операциях нагнетания флюида для поддержания пластового давления. Была выполнена серия расчетов с вариацией давлений нагнетания жидкос ти в разлом и падения давления в коллекторах. Магни туды возникающих сейсмических событий оценивались по формуле:

(33) М=(logЕ-4.9)/1.5, где Е -нормированное значение энергии, уменьшенное в 100 раз согласно значения сейсмического к.п.д. =0,01. При этом условно рассматривались ситуации с разме рами разлома по прос тиранию L=250 м, 500 м и 1000 м. Было ус тановлено, что с увеличением размера L свыше 1000 м его дальнейший рост уже незначительно ска зывается на величине магнитуды (рис. 14).

давление 2 2, 5 МПа 2 5,0 МПа верхний к-р нижний к-р нагнетания 1. 1, магнитуда магнитуда 0,5 0. 0 0 500 1000 1500 2000 0.5 1 1. L, мм L, км p, км Рис. 14. Зависимость магнитуд сейсмических событий от размера разлома по простиранию и параметра р.

Также на рис. 14 представлен график зависимости магнитуд от основной характери стики полной диаграммы сдвига - параметра р. На рис. 14 видно, что при уменьше нии р от 0,5мм до нуля магнитуда может вырасти не более чем на 0,2 единицы, т.е.

довольно незначительно. Т.е. в рассматриваемом примере для анализа техногенной сейсмичности вполне можно воспользоваться табличными значениями показателя р. В целом количество выделяемой энергии довольно слабо зависит от падения пла стового давления (в рассматриваемых условиях) и определяется прежде всего дав лением нагнетания флюида, размерами нарушения, а также характеристиками пол ной диаграммы сдвига по поверхности раздела.

Полученные значения магнитуд не превышают 1,5, что следует считать пре дельно возможным для данных условий. Рост магнитуды, например, до 2,5 не пред ставляется реальным, т.к. для этого требуется увеличение в 10 раз единичного зна чения энергии, определяемой по формуле (32). Это возможно только в случае акти визации весьма крупного разлома с размерами зоны заводнения по высоте более 300м. Сейсмические события подобной интенсивнос ти фиксируются только с по мощью чувствительных приборов и не оказывают заметного влияния на поверхно стные, подземные объекты и геологическую среду региона месторождения.

Аналогичные расчеты по оценке возможности сейсмических событий на Аст раханском газоконденсатном месторождении показали значения магнитуд до 2, единиц при прогнозном падении давления на 2010 г. Вследствие довольно значи тельных энергетических показателей сейсмических событий был сделан вывод о не обходимости организации сейсмологического мониторинга отработки мес торожде ния.

Анализ данной методики оценки техногенной сейсмичности приводит к выводу о возможности активизации разломных структур просто при их заводнении, что подтверждается многочисленными фактами наведенной сейсмичности при нагнета нии флюида в недра. Так, например, три сейсмические события с магнитудой 7 на газовом месторождении Газли произошли при падении давления всего на 5 МПа, однако перед каждым землетрясением месторождение интенсивно заводнялось. В целом можно сделать вывод о том, что разработанная численная модель вполне аде кватно воспроизводит механизм активизации разломных структур и ее можно при менять для оценки техногенного сейсмического риска при отработке месторожде ний углеводородов.

6. Практическое применение результатов исследований Прогноз оседаний земной поверхности на нефтяных месторождениях Западной Сибири. Расчеты напряженно-деформированного состояния горного массива и зем ной поверхности были выполнены на целом ряде нефтяных месторождений Запад ной Сибири (Усть-Балыкское, Мамонтовское, Чумпасское, Западно-Сургутское и ряд других), где в зоне влияния добычи нефти находятся ответственные объекты жилая застройка и сложное промышленное оборудование.

Основное внимание уделялось обоснованию упругих и компрессионных свойств пород-коллекторов. Для решения этой задачи применялись различные мето ды: непосредственные испытания образцов продуктивных пород, все доступные справочные данные, эмпирические и теоретические зависимости. С целью уменьше ния степени неопределеннос ти входящих параметров на всех объектах производи лись исследования по влиянию физико-механических свойств горного массива и коллектора на величины оседаний земной поверхности. Расчетные максимальные оседания земной поверхности для ряда нефтяных месторождений показаны в табл.3.

Таблица 3 – Результаты прогноза оседаний для ряда нефтяных месторождений Западной Сибири Месторождение Продуктивные Суммарная Макс.

объекты мощность, м оседание, мм Усть-Балыкское БС1-5, БС10 35 Мамонтовское АС4-6, БС8, БС10-11 33 Правдинское БС5-6, БС8-9 20 Приобское АС10-АС12 45 Западно-Сургутское БС1-4, БС10 25 Вос точно-Сургутское БС10, ЮС1-1, ЮС2-2 23 Родниковое БС12 10 Чумпасское АВ1, БВ6, БВ18-22 31 Ватинское АВ1-2, БВ8, ЮВ1 24 Оседания получены для падения исходного пластового давления на 3-5 МПа, что в среднем характерно для месторождений Западной Сибири. Расчеты говорят, что при отработке мес торождений системами с поддержанием пластового давления максимальные оседания поверхнос ти не превышают 100-150 мм, иногда при боль шой мощности продуктивных объектов – 300-350 мм. Этот вывод подтверждается имеющимся опытом инструментальных наблюдений на Ус ть-Балыкском геодина мическом полигоне. Оседания подобной величины, равномерно распределенные на огромной площади мес торождений, не могут нарушить нормальный режим эксплуа тации объектов на земной поверхнос ти. Однако потенциальную опасность могут представлять концентрации деформаций на земной поверхности, вызванные различ ного рода структурными неоднородностями горного массива.

Несмотря на сравнительно небольшие величины сдвижений, на основе данных расчетов были спроектированы и реализованы наблюдательные с танции в районах ответственных объектов - высотной жилой застройки и сложного промышленного оборудования, требующего высокой степени промышленной безопасности.

Численное моделирование процессов сдвижения на Уренгойском газоконден сатном месторождении. На территории крупнейшего в мире Уренгойского газокон денсатного месторождения находится крупный населенный пункт - город Новый Уренгой. Инструментальные наблюдения на станции, созданной на месторождении в 1974-76 гг., к 1995 году зафиксировали оседания величиной до 340 мм. При про должении добычи газа возможно негативное влияние деформационных процессов на подрабатываемые объекты, в связи с чем был выполнен прогноз напряженно деформированного состояния горного массива.

Деформационные параметры массива определялись методом «обратных расче тов». Были созданы расчетные схемы по ряду профилей, где продуктивные объекты строились по картам эффективных газонасыщенных толщин, а величины дейс т вующих нагрузок определялись по картам изобар. В результате серии расчетов было установлено, что удовлетворительное соответс твие расчетных и экспериментальных данных достигается при параметрах шатровой модели для пород сеномана = 0,007;

k = 0,003;

М = 1,2. (рис. 15).

Профиль №2 Профиль № 20 оседание, мм оседание, мм - - - - - - - -80 - -100 - - - 20 30 40 50 60 20 40 60 80 L, км L, км нивелирование 1995г расчет МКЕ нив елиров ание 1995г расчет МКЕ Рис.15. Расчетные и замеренные оседания на Уренгойском месторождении Полученные данные позволили выполнить надежный прогноз напряженно деформированного состояния горного массива при дальнейшей добыче газа и оце нить влияние отработки месторождения на жилую застройку города Новый Уренгой и другие ответс твенные объекты. Расчеты показали, что при сохранении сущест вующих темпов отбора газа максимальные оседания к 2010 году достигнут 650мм.

Городская черта находится в краевой час ти мульды сдвижения и оседания земной поверхности на данной территории будут составлять до 500 мм. Вследствие доволь но существенных величин прогнозных оседаний была разработана и реализована наблюдательная станция для контроля деформационных процессов в пределах го родской черты.

Прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива на Астра ханском газоконденсатном месторождении. Астраханское газоконденсатное мес то рождение (АГКМ) в геомеханическом плане имеет ряд существенных особенностей.

Продуктивный плас т залегает на значительной глубине (4000 м) и представлен до вольно крепкими известняками, залежь характеризуется аномально высоким пласто вым давлением (63 МПа). Довольно значительная часть разреза покрывающей толщи представлена породами кунгурского яруса, которые залегают в виде соляных куполов сложной формы. Сложная солянокупольная тектоника, а также несимметричный харак тер области снижения исходного пластового давления обусловили необходимость раз работки объемной конечно-элементной модели (рис. 16). Упругие свойства пород оце нивались по данным акустического каротажа покрывающей толщи по соотношению скоростей упругих волн. В качестве основного «базового» слоя выступали продук тивные карбонатные породы.

Рис. 16. Объемная конечно-элементная модель учас тка АГКМ На первом этапе определялись оседания земной поверхнос ти при состоянии пластового давления на 01.01.2000 г., которые показали близкое соответствие с дан ными замеров по имеющимся глубинным реперам. На следующем этапе выполнялся прогноз оседаний при отработке АГКМ на 2010 г. При предполагаемой карте изобар на 2010 г., составленной по данным ВНИИГАЗ, расчеты показали мульду сдвижения с участком плоского дна и максимальным оседанием 200-210 мм. Величины оседа ний довольно малы, однако в зоне влияния отработки газа находится такой сложный и ответственный объект, как газоперерабатывающий завод.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.