Активізація тектонічних рухів при зміні термогідродинамічних параметрів покладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АКТИВІЗАЦІЯ ТЕКТОНІЧНИХ РУХІВ ПРИ ЗМІНІ ТЕРМОГІДРОДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПОКЛАДІВ

Н.В. Гоптарьова

ІФНТУНГ, м. Івано-Франківськ, віл. Карпатська, 15

Обобщены результаты проведенных термометрических исследований по изучению охлаждения пород продуктивного разреза. Проведен расчет изменения влажности пород в зависимости от температуры и закономерности ее изменения в приствольной зоне. Рассчитаны термические напряжения, которые возникают при закачивании в пласт воды, а также напряжения сдвига и построен график их распределения в залежи. Оценена вероятность возникновения сдвига в горных породах.

Ключевые слова: активизация тектонических движений, термогидродинамические параметры залежей, поле напряжений, деформация, температура, влажность, термические напряжения, напряжения сдвига.

порода термічний напруга зсув

Conducted thermometric investigations results about study of rock's cooling in producing horizon. Calculation change of field moisture by temperature have been conducted. Thermal stress and stress displacement, which arise by water pumping in pool, have been calculated and curve of its distribution have been structured. Probability of displacement in the rocks have been estimated.

Key words: activity of tectonic movements, thermohydrodynamic parameters of pools, stress field, deformation, temperature, field moisture, thermal stress, stress displacement.

Недоторканий масив гірських порід знаходиться під дією початкового поля напруг, які являють собою однорідну зрівноважену систему сил, зумовлених вагою вищезалягаючих порід і факторами тектонічного характеру. Проходка свердловин порушує створену рівновагу, яка відновлюється за рахунок перерозподілу напруг в зоні впливу створених отворів. Зміна напруг, які супроводжуються відповідно з властивостями суцільного середовища деформаціями, залежить від рівня початкових напруг, параметрів покладу і деформаційних властивостей масиву.

Таким чином, першопричиною або рушійною силою зсувів і деформацій масиву гірських порід виступає початковий напружений стан і його зміни в процесі розробки родовищ.

Розробка нафтових родовищ на природних режимах проходить практично без змін пластової температури. В процесі закачки холодної води при циклічному заводненні в нагнітальні свердловини для підтримання пластового тиску в нафтовому покладі відбувається пониження пластової температури. При припиненні цього процесу температура пласта підвищується.

В нагнітальних свердловинах Долинського нафтового родовища, які вивчалися за допомогою електротермометра, відмічалось охолодження привибійної зони на 25-30⁰С. По контрольних свердловинах одержано підтвердження постійного зниження температур на ділянках нагнітальних і реагуючих на них експлуатаційних свердловин. В контрольних свердловинах, розташованих від нагнітальних на відстані 200-350 м, за декілька років закачування температура понизилась на 4-8⁰С. Циклічне закачування води на Долинському родовищі викликає зниження температури в контрольних свердловинах. При дослідженні однієї контрольної свердловини в період інтенсивної закачки води температура в пласті знизилась від 73 до 67⁰С. Більш помітні коливання температури в цьому випадку відбуваються в привибійних зонах нагнітальних свердловин.

Зниження пластової температури призводить до створення охолодженої зони, товщина якої значно перевищує товщину перфорованої частини продуктивного розрізу. Охолодження пластів в цій зоні призводить до стиснення породи, в результаті чого виникає поле горизонтальних термічних напруг, значне зменшення яких веде до виникнення гідророзриву пласта при тисках значно менших, ніж за відсутності термопружного ефекту. Зниження температури пласта вище інтервалів поглинання закачуваної води на 30-50⁰С призводить до появи розтягуючих зусиль в продуктивних пластах, які перевищують межу міцності матеріалу пласта і, як наслідок, до розвитку наявної системи тріщин і появи нових. Закачана в пласти-колектори вода через створену систему тріщин надходить у залягаючі вище пласти, створюючи в них значні зони вторинної водонасиченості.

За 12-річний період експлуатації свердловини 247 в неї закачано 1546 тис. м³ води. Проведені повторні термометричні дослідження показали значне розширення зони охолодження в верхній частині продуктивного розрізу. При цьому охолодженню піддались не тільки колекторські різновидності порід, але й глини та аргіліти бистрицької і менілітової світ. Наявність термоаномалій на глибині 2225 м дає змогу зробити висновок про створення тут зони вторинної тріщинуватості, по якій проходить поступлення закачаної води.

Вважається, що однією із умов стійкості глинистих порід є перезволоження. Серйозна проблема полягає в тому, що в умовах свердловин існують більш ніж необхідні умови для перезволоження гірських порід, одна із яких - підвищення вологості гірських порід пристовбурної зони за рахунок зміни природних температурних полів [1].

Значення початкової вологості глинистих порід наведені в таблиці 1.

Відомо, що вологість в породі та її температура пов'язані співвідношенням

, (1)

де: Wо - вологість породи в природному стані, ; T - перепад температури, ⁰С; b - коефіцієнт, що характеризує зниження температури при підвищенні вологості на 1 (для глинистих порід приймається 3-5⁰С/).

Термометричні дослідження свердловин дають змогу оцінити величину зміни температури в пластах не тільки в продуктивній частині розрізу, а у вищезалягаючих пластах.

Так, у свердловині 220 Долинського родовища в інтервалі залягання поляницької світи (1320 м) на початковому етапі температура становила 34⁰С. За дев'ять років експлуатації температура знизилась до 32⁰С, а ще за чотири роки - до 28,5⁰С. Така зміна температури (на 5,5⁰С) призводить до зміни вологості глинистих порід до 4,1. В іншій свердловині 45 цього ж родовища приблизно на такій же глибині за три роки експлуатації температура знизилась на 11,8⁰С, що в свою чергу призвело до зміни вологості до 5,24, якщо вважати, що початкова вологість становила 3.

Подібну характеристику можна провести і для глинистих порід менілітової світи. Так, у свердловині 505 Долинського родовища на глибині 1590 м за два роки експлуатації температура навколишніх порід знизилась на 12⁰С, а у свердловині 558 - на 9,5⁰С. Вологість цих порід змінилася до величин відповідно 5,7 та 3,9, враховуючи, що початкова вологість становила 2.

Таблиця 1 - Вологість порід родовищ Передкарпаття

На основі проведених розрахунків побудований графік зміни вологості порід в залежності від зниження температури (рис. 1).

З даної залежності видно, що із збільшенням величини, що характеризує зниження температури, вологість навколишніх порід зростає.

Для визначення перерозподілу вологості в пристовбурній зоні, в залежності від зміни температури в гірських породах розв'яжемо диференціальне рівняння [1]

, (2)

де: а - стала диференціального рівняння; r - відстань, м.

Розв'язком диференціального рівняння буде

, (3)

де: b - коефіцієнт, що характеризує зниження температури при підвищенні вологості на 1 (для глинистих порід приймається 3-5⁰С/); х - наступна віддаль від свердловини, м; х₁ - початкова відстань від свердловини, м; m - швидкість охолодження стінок свердловини, ⁰С/год; t - час охолодження, год.

Закономірність зміни вологості в пристовбурній зоні глинистих порід від температури наведена на рисунку 2.

Таблиця 2 - Напруги зсуву, що розвиваються в покладах родовищ

Із збільшенням відстані значення вологості наближається до природної величини.

Таким чином, можна зробити висновок, що зниження температури пластів в результаті закачки туди холодної води для підтримання пластового тиску призводить до зміни вологості глинистих порід в пристовбурній зоні свердловини. В міру зниження температури вологість порід збільшується і лише із збільшенням відстані від свердловини наближається до природного значення.

В таких умовах існує небезпека тектонічного зсуву в обширній області навкруг зони зміни фізичних властивостей глинистих порід, що в свою чергу відбивається на технічному стані свердловин.

При закачці в пласт з метою підвищення нафтовіддачі води в надрах розвиваються термічні напруги, порядок яких можна оцінити таким виразом [2]:

, (4)

де , E і - відповідно коефіцієнт лінійного розширення, модуль Юнга і коефіцієнт Пуасона породи.

Для порід родовищ Передкарпатського прогину значення відповідних величин такі:

=28,5*10^{-6 0}С^-1, Е=35*10⁹Па, =0,2.

Для значень Т від 3⁰С до 50⁰С термічні напруги будуть коливатися від 3 до 62 МПа.

При зміні термобаричних умов в покладі в гірських породах виникають напруги зсуву. Зміна пластового тиску в покладі може скласти від одиниць до десятків МПа. Оцінку збудження, викликаного цією зміною тиску, можна отримати з використанням квадратичної залежності зміни напруг із збільшенням відстань від покладу [3]. Тоді для кругового покладу, розташованого нормально напряму сили тяжіння, справедливим є співвідношення

, (5)

де - напруга зсуву, що розвивається (МПа) в надрах на відстані r (км) від покладу; S - площа покладу, км²; P - зміна тиску в покладі, МПа.

Результати розрахунків наведені в таблиці 2.

На основі проведених розрахунків побудований графік розподілу напруг зсуву в міру віддалення від покладу (рис. 3).

Рисунок 3 - Розподіл напруг зсуву в міру віддалення від покладу

Підсумовуючи вище наведені результати, можна зробити висновок, що найбільша ймовірність зсуву існує в менілітових покладах Долинського, Спаського та Битківського родовищ. Навіть на відстанях 1000 м виникають напруги зсуву відповідно 2,1 МПа, 1,6 МПа та 6,9 МПа.

Як видно, високими напругами, достатніми для виникнення тектонічного зсуву, охоплюється значна область масиву порід, і досягнути вона може порід поляницької і воротищенської світ. Це, в свою чергу, стає поясненням виникнення пластичної течії глинистих і соленосних порід цих світ в процесі розробки родовищ, що має негативний вплив на технічний стан експлуатаційних свердловин.

Для збереження рівноваги необхідно, щоб сила термічних напруг не перевищувала суму сил геостатичного навантаження продуктивного пласта та зсуву вищележачого масиву порід, що можна виразити співвідношенням:

Н₀g+f, (6)

де: - площа продуктивних відкладів в плані, км²; Н - глибина залягання глинистого пласта, м; ₀ - середня густина порід вищележачого масиву, кг/м³; g - прискорення вільного падіння, м/с²; f - площа бічної поверхні масиву вищележачих порід, м²; - середня напруга зсуву масиву вищележачих порід, МПа; - термічні напруги, що розвиваються внаслідок зміни температури, МПа.

Якщо прийняти, що =R², f=2RH, то співвідношення набуде вигляду:

H₀g+2H/R, (7)

де R - радіус глинистого пласта, м.

Середньою глибиною залягання глинистих пластів, де можливий зсув порід, є глибина 1500 м. Максимальні напруги зсуву порід на цій глибині становлять порядку 6,9 МПа.

Отже, при радіусі глинистого пласта 1000 м і середній густині порід 2400 кг/м³ ліва частина нерівності буде дорівнювати 56 МПа. Максимально можливий рівень термічних напруг становить 62 МПа, як зазначалось вище.

Очевидно, що ліва частина нерівності менша за зазначену величину термічних напруг, тому цілком ймовірно, що на глибинах залягання поляницької і воротищенської світ можливе явище зсуву гірських порід.

Література