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

При первичной нагрузке подобное простое соотношение между упругими и компрессионными параметрами существует только для условий одномерного уплотнения, когда вертикальные и горизонтальные эффективные напряжения связаны уравнением x = y = k0z , где k0 - коэффициент бокового давления при первичном уплотнении:

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

В этм случае можно формально ввести некоторый `пластический' коэффициент Пуассона по соотношению pl = k0/(1+k0) и установить зависимость между компрессионными параметрами , k0 и характеристиками линейно-деформируемой среды. Если напряженное состояние коллектора близко к условиям одномерного уплотнения, такой подход дает хорошее соответствие 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 примеров, условия которых обеспечивали максимальную величину уплотнения от 90 мм до 2.7 м. В одном из примеров рассматривался коллектор толщиной 50 м, радиусом 6000м, залегающий на глубине 2000 м. Пористость коллектора 20%, = 0,010, k = 0,005, =0,20, М=0,984, объемный вес покрывающих пород 0,022 МН/м3. Рассчитывались деформации коллектора и горного массива при снижении пластового давления от 20 до 14 МПа. Данные условия обеспечивают максимальное уплотнение 90мм. Расчетный характер напряженного состояния коллектора и горного массива показан на рис. 10.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 10. Характер напряженного состояния коллектора при падении пластового давления

Касательные напряжения в горном массиве приурочены к краевой части продуктивной зоны и весьма малы по величине, что легко объясняется незначительным уплотнением коллектора. Если взять две точки в центре модели и на краю продуктивной зоны, то в них исходное напряженное состояние коллектора одинаковое и в диаграмме q - характеризуется точкой А (рис.10). Параметр рс, задающий начальную 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 область 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 теоретическому значению коэффициента бокового давления. Напряженное состояние в краевой части коллектора характеризуется точкой С, которая лежит выше линии одномерного уплотнения, т.е. девиаторная часть тензора напряжений прирастает интенсивне. Тем не менее, точка С не достигает предельной линии q=М•, т.е. разупрочнения не возникает и коллектор в краевой зоне также деформируется в режиме уплотнения.

Расчеты, выполненные для условий существенного уплотнения коллектора (2.7 м), показали сходные результаты. Несмотря на значительные абсолютные величины сдвижений, касательные напряжения в горном массиве оказались довольно небольшими. Данный факт можно объяснить тем, что сдвижения распределяются на значительные области горного массива. Напряженное состояние в краевой части коллектора не достигает предельной линии q=М•, т.е. породы также деформируются в режиме уплотнения. При этом рост эффективной нагрузки происходит по траектории, приблизительно нормальной к эллиптической поверхности текучести. Данные расчеты показывают, что применение МССМ-модели для расчета деформаций коллекторов 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 ископаемых положена концепция блочной структуры горного массива, развитая в работах И.М.Петухова, И.М.Батугиной и многих других ученых. Известно, что сама по себе блочная структура массива вследствие различия физико-механических свойств отдельных блоков и контактных зон порождает весьма неравномерное распределение тензора напряжений. Разработка твердых полезных ископаемых или добыча 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 исследовать поведение блочных сред, однако неопределенность входящих в расчетную модель параметров позволяет получать только сильно приближенные решения. При рассмотрении задач о механическом поведении блочных массивов необходимо анализировать расчетные области размерами в сотни метров или даже десятков километров, включающие в себя слагающие блоки и разграничивающие их разломные зоны. Очевидно, что параметрическое обеспечение таких моделей весьма проблематично, 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 расчетов можно получить значения входящих параметров, которые дают удовлетворительное соответствие наблюдаемым на практике деформациям. Несмотря на всю относительность, такой подход позволяет на качественном уровне исследовать поведение блочного массива.

Подобные расчеты были выполнены для анализа напряженного состояния блочной структуры горного массива в регионе Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС). Моделируемый участок массива имеет размеры по глубине 5,0 км, в плане 4545 км и захватывает гг.Березники и Соликамск. За основу расчетной модели были взяты тектонические блоки II,III,IY,Y рангов, выделенные на территории ВКМКС проф. В.В.Филатовым (Уральский государственный горный университет, г.Екатеринбург). На данной модели были рассмотрен ряд ситуаций, способных вызвать аномальные движения земной поверхности, зафиксированные геодезическими наблюдениями в разломных зонах. Анализировалась реакция блочного массива на природные сейсмические воздействия, вызванные незначительным природным землетрясением интенсивностью 3-4 балла. Расчеты показали, что при действии волны сжатия на земной поверхности в районе нарушений возникает всплеск поднятий, масштабы которого зависят от упругих свойств блоков и разломных зон. При действии волны растяжения соответственно возникают оседания поверхности. В качественном плане полученные смещения соответствует - и - аномалиям современных движений земной поверхности, которые были типизированы В.А. Сидоровым и Ю.О. Кузминым. Данные результаты позволяют сделать вывод о том, что аномальные величины вертикальных движений земной поверхности, являющиеся частью геодинамической обстановки, могут быть обусловлены природной 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 атмосферных осадков, изменением гидрогеологического режима и другими природными факторами. Рассматривалось изменение упругих свойств относительно начального значения в разломной зоне шириной 100 м на глубину от поверхности на 100 м. Расчеты показали, что в зависимости от изменения модуля упругости можно наблюдать изменение глубины прогиба возникающей мульды и упругое поднятие краев борта. Таким образом, аномальные просадки поверхности в районе нарушения (-аномалии) могут объясняться, помимо фоновой сейсмичности региона, сезонными изменениями свойств нарушения в результате действия различных природных факторов.

Данные расчеты, с одной стороны, показывают высокую степень относительности задач расчета напряженно-деформированного состояния больших объемов горного массива. Меняя такие весьма неопределенные параметры, как геометрия разлома, физико-механические свойства блоков и разломных зон, можно получать самые 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 контактах блоковых структур вследствие добычи углеводородов.

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

Рис. 11. Мульды оседания при наличии и отсутствии зоны ослабления

мощностью 100 м (k = 0.2).

Поскольку ширина контактных зон является крайне неопределенным параметром, ее мощность в расчетах варьировалась от 100 до 500 м. Модуль упругости пород в контактных зонах определялся в зависимости от модуля упругости пород соответствующего слоя по соотношению Е' = E0 k, где Е', E0 - модуль упругости соответственно 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 нарушенных 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 добыче углеводородов.

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

При анализе геодинамической обстановки на месторождениях нефти и газа одной из наиболее важных задач является прогноз интенсивности техногенных сейсмических явлений. Известные математические модели очага техногенного (а в отдельных случаях и природного) землетрясения говорят о нем как о модели неустойчивого 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 дробленый материал, в результате чего большая часть энергии, высвобождаемой при сдвиге, расходуется на образование в бортах разлома зоны дробленой породы. Указанным представлениям соответствует известная модель скольжения с разупрочнением Дж.Райса (рис. 12).

Рис. 12. Модель активизации тектонического разлома

Началу скольжения по разлому соответствует достижение касательным напряжением res своего максимального значения р. До этого наблюдается как рост касательного напряжения, так и рост касательного к поверхности разлома смещения s. При достижении величиной s значения p (и соответственно касательного напряжения 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 участка 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 разрушения) дается выражением:

где u* - величина перемещения при скольжении.

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

Разлом представляется средой, разбитой системой трещин вдоль поверхности раздела. В результате численного решения методом конечных элементов задачи скольжения с разупрочнением в каждом элементе разлома, где касательные смещения s превысили величину p, определяется сброс напряжений (р - *). Также определяется разница между касательным смещением s* на участке стабилизации итерационного процесса и величиной р. Значение высвобождающейся в i-м элементе энергии находится как

i=(р - *)(р - s*),

где s* - максимальное достигнутое касательное смещение в i-м элементе.

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

где n - число элементов, вышедших в запредельное состояние.

Полная энергия сейсмического события получается перемножением нормированного 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 применительно к отработке Уньвинского нефтяного месторождения на территории Пермского края. На первом этапе были рассчитаны оседания горного массива при падении давления на 6, 10 и 20 МПа. Применяемые при этом параметры модели были определены из условия наилучшей сходимости расчетов с результатами инструментальных наблюдений. На втором этапе более детально рассматривался расчетный фрагмент в районе коллекторов, вырезанный из общей расчетной схемы

В качестве 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 прочностных 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 бортов не возникает даже при падении давления в коллекторах на 20 МПа. Возможность динамических сдвижений возникает при операциях нагнетания флюида для поддержания пластового давления. Была выполнена серия расчетов с вариацией давлений нагнетания жидкости в разлом и падения давления в коллекторах. Магнитуды возникающих сейсмических событий оценивались по формуле:

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 размерами разлома по простиранию L=250 м, 500 м и 1000 м. Было установлено, что с увеличением размера L свыше 1000 м его дальнейший рост уже незначительно сказывается на величине магнитуды (рис. 14).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 14. Зависимость магнитуд сейсмических событий от размера разлома по простиранию и параметра р.

Также на рис. 14 представлен график зависимости магнитуд от основной характеристики полной диаграммы сдвига - параметра р. На рис. 14 видно, что при уменьшении 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 пластового давления (в рассматриваемых условиях) и определяется прежде всего давлением нагнетания флюида, размерами нарушения, а также характеристиками полной диаграммы сдвига по поверхности раздела.

Полученные значения магнитуд не превышают 1,5, что следует считать предельно возможным для данных условий. Рост магнитуды, например, до 2,5 не представляется реальным, т.к. для этого требуется увеличение в 10 раз единичного значения энергии, определяемой по формуле (32). Это возможно только в случае активизации весьма крупного разлома с размерами зоны заводнения по высоте более 300м. Сейсмические события подобной интенсивности фиксируются только с помощью чувствительных приборов и не оказывают заметного влияния на поверхностные, подземные объекты и геологическую среду региона месторождения.

Аналогичные расчеты по оценке возможности сейсмических событий на Астраханском газоконденсатном месторождении показали значения магнитуд до 2,5 единиц при прогнозном падении давления на 2010 г. Вследствие довольно значительных энергетических показателей сейсмических событий был сделан вывод о необходимости организации сейсмологического мониторинга отработки месторождения.

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 нагнетании 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 адекватно воспроизводит механизм активизации разломных структур и ее можно применять для оценки техногенного сейсмического риска при отработке месторождений углеводородов.

6. Практическое применение результатов исследований

Прогноз оседаний земной поверхности на нефтяных месторождениях Западной Сибири. Расчеты напряженно-деформированного состояния горного массива и земной поверхности были выполнены на целом ряде нефтяных месторождений Западной 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 методы: непосредственные испытания образцов продуктивных пород, все доступные справочные данные, эмпирические и теоретические зависимости. С целью уменьшения степени неопределенности входящих параметров на всех объектах производились 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

Оседания получены для падения исходного пластового давления на 3-5 МПа, что в среднем характерно для месторождений Западной Сибири. Расчеты говорят, что при отработке месторождений системами с поддержанием пластового давления максимальные оседания поверхности не превышают 100-150 мм, иногда при большой мощности продуктивных объектов - 300-350 мм. Этот вывод подтверждается имеющимся опытом инструментальных наблюдений на Усть-Балыкском геодинамическом полигоне. Оседания подобной величины, равномерно распределенные на огромной площади месторождений, не могут нарушить нормальный режим эксплуатации объектов на земной поверхности. Однако потенциальную опасность могут представлять концентрации деформаций на земной поверхности, вызванные различного рода структурными неоднородностями горного массива.

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

Численное моделирование процессов сдвижения на Уренгойском газоконденсатном месторождении. На территории крупнейшего в мире Уренгойского газоконденсатного 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 продолжении 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 расчетов». Были созданы расчетные схемы по ряду профилей, где продуктивные объекты строились по картам эффективных газонасыщенных толщин, а величины действующих нагрузок определялись по картам изобар. В результате серии расчетов было установлено, что удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных достигается при параметрах шатровой модели для пород сеномана = 0,007; k = 0,003; М = 1,2. (рис. 15).

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 оценить влияние отработки месторождения на жилую застройку города Новый Уренгой и другие ответственные объекты. Расчеты показали, что при сохранении существующих темпов отбора газа максимальные оседания к 2010 году достигнут 650мм. Городская черта находится в краевой части мульды сдвижения и оседания земной поверхности на данной территории будут составлять до 500 мм. Вследствие довольно существенных величин прогнозных оседаний была разработана и реализована наблюдательная станция для контроля деформационных процессов в пределах городской черты.

Прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива на Астраханском газоконденсатном месторождении. Астраханское газоконденсатное месторождение (АГКМ) в геомеханическом плане имеет ряд существенных особенностей. Продуктивный пласт залегает на значительной глубине (4000 м) и представлен довольно крепкими известняками, залежь характеризуется аномально высоким пластовым 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 характер области снижения исходного пластового давления обусловили необходимость разработки объемной конечно-элементной модели (рис. 16). Упругие свойства пород оценивались по данным акустического каротажа покрывающей толщи по соотношению скоростей упругих волн. В качестве основного «базового» слоя выступали продуктивные карбонатные породы.

На первом этапе определялись оседания земной поверхности при состоянии пластового давления на 01.01.2000 г., которые показали близкое соответствие с данными 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 оседаний довольно малы, однако в зоне влияния отработки газа находится такой сложный и ответственный объект, как газоперерабатывающий завод.

Также выполненные исследования говорят, что на АГКМ, где присутствуют тектонические поля напряжений и флюиды находятся под аномально высоким давлением, возможны заметные проявления техногенной сейсмичности. В этой связи на территории АГКМ был развернут полноценный геодинамический полигон. Кроме геодезических наблюдений за деформациями земной поверхности, силами различных организаций также проводятся атмогеохимические исследования, микрогравиметрические работы, развернута сеть сейсмоприемников. Созданная система мониторинга обеспечивает надежный контроль геодинамических процессов, сопровождающих отработку месторождения.

Анализ влияния добычи нефти на безопасность разработки Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. На территории Пермского края открыто множество нефтяных месторождений, территориально совмещенных с уникальным Верхнекамским месторождением калийных солей (ВКМКС). К настоящему времени на участках, где руды калийной залежи отсутствуют или отнесены к некондиционным, функционирует около 700 нефтяных скважин. Существуют планы добычи нефти непосредственно на промышленных запасах ВКМКС. Проблемы, возникающие при совместной отработке нефти и калия, предполагают решение целого ряда вопросов. Это проведение и анализ инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности, теоретический анализ напряженно-деформированного состояния горных пород при отработке нефти, анализ возможности активизации структурно-тектонических особенностей горного массива.

Для геомеханической оценки возможности совместной добычи нефти и калия на первом этапе был выполнен прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива при добыче нефти. Обоснование физико-механических свойств горных пород производилось из условия соответствия расчетов результатам инструментальных наблюдений за оседаниями земной поверхности, полученными на имеющихся наблюдательных станциях. Выполненные расчеты показали довольно незначительные оседания земной поверхности. При существующих параметрах коллекторов Верхнекамских нефтяных месторождений, их высоких прочностных и низких компрессионных свойствах максимальные оседания земной поверхности не превышают 100 мм. Несмотря на небольшие величины оседаний, в соответствии с требованиями промышленной безопасности был выполнен детальный анализ влияния полученных дополнительных напряжений и деформаций на соляные пласты и элементы системы разработки калийных рудников.

Величины сдвижений и деформаций, полученные при моделировании НДС горного массива при добыче нефти, использовались как входящие параметры и граничные условия для анализа ситуаций, которые могут представлять потенциальную опасность. В качестве таких ситуаций рассматривались: возможность сдвига по контактам слоев в соляной толще; рост напряжений в междукамерных целиках под воздействием добычи нефти; активизация структурно-тектонических особенностей водозащитной толщи, возможность техногенных сейсмических событий. Соответствующие расчеты показали, что прирост напряжений в междукамерных целиках под влиянием добычи нефти составил около 0,5 % от исходного уровня напряжений в горном массиве. Сдвиги по контактам слоев в соляной толще два порядка меньше предельных величин, соответствующих разрушению материала.

Наиболее подробно рассматривалось геомеханическое поведение аномальных особенностей строения водозащитной толщи (листрических разрывов, сдвигов, открытых секущих трещин), т.к. сохранность ВЗТ является основным условием безопасной отработки ВКМКС. При этом задавалось наиболее неблагоприятное сочетание входящих параметров для создания определенного запаса надежности. Было получено, что деформации горного массива при отработке нефти вследствие своей малости не сказываются на состоянии водозащитной толщи при наличии в ней аномальных особенностей вида листрического разрыва и открытых секущих трещин. Так, оценка возможности роста открытой секущей трещины в ВЗТ2 по энергетическому критерию механики разрушения показала, что скорость высвобождения энергии G во всех случаях не достигает критического значения 1000 Пам.

Т.о., добыча нефти на территории ВКМКС не оказывает негативного влияния на конструктивные элементы системы разработки калийных рудников и не активизирует структурно-тектонические особенности массива, расположенные в пределах ВЗТ и продуктивной соляной и калийно-магниевой толщах. Данные результаты говорят о возможности совместной добычи нефти и калия на территории ВКМКС. Не существует геомеханических и геодинамических факторов, которые в принципе не позволяли бы осуществлять разработку нефтяных залежей, естественно, при соблюдении определенных условий. К таким условиям следует отнести применение соответствующей конструкции нефтяных скважин, которая обеспечивает надежную изоляцию калийной залежи от проникновения флюидов, определение размеров предохранительных целиков под скважины, и ряд других. Выполненные исследования позволяют в практическом плане приступить к решению вопросов, связанных с комплексным освоением минерально-сырьевых ресурсов Соликамской депрессии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны научные основы решения крупной и актуальной научной проблемы прогноза параметров напряженно-деформированного состояния горных пород для выбора мер охраны подрабатываемых объектов, предотвращения и снижения последствий опасных геомеханических и геодинамических явлений при разработке месторождений углеводородов. Наиболее существенные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем.

1. На основе анализа уравнений состояния насыщенных пористых сред показано, что для расчета напряженно-деформированного состояния горных массивов на месторождениях нефти и газа в большинстве случае нет необходимости в разработке строгих методов совместного решения уравнений теории упругости (пластичности) и фильтрации флюида. Для решения практических задач целесообразно разрабатывать геомеханические модели и методы, использующие показатели пластового давления в качестве исходных данных.

2. Величина уплотнения коллекторов при падении пластового давления определяется закономерностями объемных деформаций сжатия порового пространства и породообразующих минералов скелета породы. Для расчета уплотнения целесообразно применять эффективные напряжения, т.к. это позволяет учесть все виды деформаций пористой среды и определить результирующие деформации скелета породы. Получены аналитические зависимости для расчета одномерного уплотнения коллекторов в различных условиях, которые используются для общей предварительной оценки напряженно-деформированного состояния горного массива при добыче углеводородов.

3. С помощью численных расчетов модельных задач показано, что деформации коллекторов определяются соотношением их упругих свойств и свойств вмещающих пород, а также геометрическими характеристиками залежей. Относительное уплотнение продуктивного слоя увеличивается при более слабых вмещающих породах, а также с ростом отношения R/H. При этом степень влияния упругих свойств вмещающих пород на уплотнение коллекторов и оседания земной поверхности уменьшается с увеличением размеров коллектора. Идеализация геометрии коллекторов в виде прямолинейных пластов с постоянной глубиной залегания дает незначительный прирост расчетных сдвижений массива и оседаний земной поверхности. Установлено, что для расчета деформаций горного массива можно использовать показатели средневзвешенного пластового давления и не учитывать неравномерность давления, обусловленного работой отдельных добывающих скважин.

4. Применение модифицированной шатровой модели для расчета деформаций коллекторов обеспечивает представительные результаты для большого разнообразия горно-геологических условий и физико-механических свойств продуктивных пород. Произведено внедрение данной модели в конечно-элементный пакет “ANSYS”. Численные расчеты модельных задач показали, что в центральной части нефтяных и газовых месторождений выполняются условия одномерного уплотнения, т.е. прирост эффективных горизонтальных напряжений соответствует теоретическому значению коэффициента бокового давления. В краевой части продуктивных пластов девиаторная часть тензора эффективных напряжений при падении пластового давления растет интенсивнее, чем в режиме одномерного уплотнения, однако при этом предельное состояние не достигается и коллектора также деформируются в режиме уплотнения.

Для ряда месторождений Западной Сибири, УНГКМ, АГКМ и региона ВКМКС по результатам компрессионных испытаний определены параметры «шатровой» модели, которые могут быть использованы для расчетов НДС продуктивных объектов данных месторождений.

5. Рассмотрен общий характер деформаций, возникающих на контактах блоковых структур горного массива при добыче нефти и газа. Показано, что наибольшую опасность могут представлять узкие, линейно вытянутые зоны ослабления, заполненные сильно дислоцированными ослабленными породами.

6. Разработана и реализована численная модель оценки интенсивности техногенных сейсмических явлений при добыче нефти и газа, основанная на использовании специальной модели горных пород с учетом полной диаграммы деформирования по плоскостям раздела. На модельных задачах показано, что количество выделяемой сейсмической энергии в процессе неустойчивого сдвига бортов разлома зависит от глубины залегания коллектора, падения пластового давления, геометрических размеров нарушения, давления флюида в разломной зоне, а также от характеристик полной диаграммы сдвига пород по поверхности раздела.

7. Выполнены оценочные расчеты магнитуд возможных сейсмических событий при отработке Уньвинского нефтяного месторождения. Результаты показывают возможность активизации разломных структур при операциях нагнетания флюида для поддержания пластового давления. Расчетные значения магнитуд не превышают 1.0-1.5, что является предельно возможной величиной для рассмотренных условий. Сейсмические события подобной интенсивности не оказывают заметного влияния на поверхностные, подземные объекты и геологическую среду региона месторождения.

Анализ возможности сейсмических событий при отработке Астраханского газоконденсатного месторождения показывает прогнозные значения магнитуд до 2,5 единиц. Возможность сейсмических событий с такими количествами выделяющейся энергии требует организации сейсмологического мониторинга отработки месторождения.

8. Основные результаты работы были использованы для обоснования мер охраны подрабатываемых объектов и создания геодинамических полигонов на ряде нефтяных месторождений Западной Сибири, севера Пермского края, Уренгойском и Астраханском газоконденсатных месторождениях. Результаты исследований вошли в нормативный документ - «Инструкцию по созданию наблюдательных станций и производству инструментальных наблюдений за процессами сдвижения земной поверхности при разработке нефтяных месторождений в регионе Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Кашников Ю.А., Якушина Е.М., Ашихмин С.Г. Деформирование скального массива по системам трещин // Известия ВУЗов. Горный журнал. - 1992. - № 3. - С.75-80.

2. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Численная модель для расчета сдвижений горных пород при добыче нефти. - В кн.: Проблемы механики горных пород. -Санкт-Петербург. - 1997. - С.193-198.

3. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Замотин В.Б., Ашихмин В.Н. Геодинамические полигоны, сдвижение горных пород и техногенные землетрясения при разработке нефтяных месторождений. - В кн.: Проблемы геодинамической безопасности. - Санкт-Петербург. - 1997. - С.245-247.

4. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Расчет сдвижений горных пород при разработке нефтяных месторождений. Часть 1. Численная модель деформирования нефтяного коллектора // Маркшейдерский вестник. - 1998. - № 1. - С.44-46.

5. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Селезнев Е.А. Расчет сдвижений горных пород при разработке нефтяных месторождений. Часть 2. Расчет НДС горного массива при отработке в режиме упругой энергии // Маркшейдерский вестник. - 1998. - № 2. - С.33-35.

6. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом режиме на изменение НДС горного массива. Часть 1. Анализ инструментальных наблюдений. Модель деформирования нефтяного коллектора под нагрузкой // Физико-техни-ческие проблемы разработки полезных ископаемых. - 1998. - № 5. - С.71-80.

7. Ашихмин С.Г., Кашников Ю.А. Влияние количества рядов добывающих скважин на оседания земной поверхности на конечной стадии упругого водонапорного режима // Известия ВУЗов. Нефть и газ. - 1998. - № 6. - С.26-31.

8. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом режиме на изменение НДС горного массива. Часть 2. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1999. - № 3. - С.51-57.

9. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Моделирование возникновения техногенных сейсмических явлений при добыче углеводородного сырья // Маркшейдерский вестник. - 1999. - № 1. - С.21-25.

10. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Катошин А.Ф., Селезнев Е.А. Изменение НДС горного массива при добыче нефти в упругом режиме // Нефтяное хозяйство. - 1999. - № 8. - С.30-33.

11. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Оценка техногенной сейсмической опасности при отработке нефтяного месторождения. // Геодинамика и напряженное состояние недр земли. - Новосибирск. - 1999. - С.402-408.

12. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Катошин А.Ф. Изменение геодинамической обстановки при разработке нефтяного месторождения // Нефтяное хозяйство. - 2000. - № 6. - С.28-32.

13. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти на изменение НДС горного массива. Часть 3. Техногенная активизация разломных структур // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2000. - № 3. - С.54-63.

14. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Калугин А.В. Комплексная оценка геодинамической безопасности при разработке месторождений углеводородного сырья // Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Геоэкология и современная геодинамика нефтегазоносных регионов». - Москва. - 2000. - С.143.

15. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Одинцов С.Л., Постнов А.В., Рожков В.Н. Численное моделирование и контроль геомеханических процессов при отработке АГКМ // Тезисы докладов международной конференции «Проблемы добычи и переработки нефти и газа в перспективе международного сотрудничества ученых Каспийского региона». - Астрахань. - 2000. - С.18-19.

16. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гуляев Н.Ю., Гришко С.В. Геомеханический анализ и геодезический мониторинг деформационных процессов при добыче углеводородов // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Природные резервуары углеводородов и их деформации в процессе разработки нефтяных месторождений». - Казань. - 2000. - С.61-62.

17. Ашихмин С.Г. Численная модель для прогноза напряженно-деформированного состояния массива рыхлых и скальных пород // Известия ВУЗов. Горный журнал. - 2000. - № 4. - С.52-57.

18. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Калугин А.В. Геомеханические и геодинамические аспекты разработки месторождений углеводородов Западной Сибири. - В кн.: «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении». - Санкт-Петербург. - 2001. - С.71-78.

19. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Саврасов И.Ф., Одинцов С.Л., Постнов А.В. Предварительный прогноз и контроль геодинамических процессов при разработке АГКМ. - В кн.: «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении». - Санкт-Петербург. - 2001. - С.79-86.

20. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Одинцов С.Л., Постнов А.В. Техногенные геодинамические процессы при разработке АГКМ // Газовая промышленность. - 2002. - № 1. - С.81-83.

21. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Назаров А.Ю., Кашников О.Ю., Терентьев Б.В. Экспериментальные исследования влияния пластового давления на фильтрационно-емкостные характеристики терригенных коллекторов месторождений севера Пермского края // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2007. - № 1. - С.41-50.

22. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. - М.: Недра, 2007. - 486 с.

23. Ашихмин С.Г., Кашников Ю.А., Киселевский Е.В., Одинцов С.Л., Гетманов И.В., Калугин А.В. Прогноз и мониторинг оседаний земной поверхности при разработке газоконденсатных месторождений России // Труды XIII Международного конгресса по маркшейдерскому делу. - Будапешт, 2007.

24. Ашихмин С.Г. Прогноз параметров уплотнения коллекторов и деформаций горного массива при разработке месторождений углеводородов // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2007. - № 10. - С.40-43.

25. Ашихмин С.Г. Исследование компрессионных свойств коллекторов Шершневского нефтяного месторождения // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - 2007. - № 10. - С.43-45.

26. Ашихмин С.Г. Особенности методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке месторождений углеводородов // Маркшейдерия и недропользование. - 2008. - № 2. - С.38-41.

27. Ашихмин С.Г. Влияние различных факторов на напряженно-деформированное состояние горных массивов при разработке месторождений нефти и газа // Известия ВУЗов. Горный журнал. - 2008. - № 4.

Размещено на Allbest.ru