авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

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 института УрО РАН.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Б.А. Бачурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности и безопасности разработки любых видов полезных ископаемых напрямую зависит от вопросов геомеханики, связанных с расчетом и прогнозом напряженно-деформированного состояния горных массивов, определением параметров процесса сдвижения и охраной сооружений от подработки. Актуальность данных проблем обусловлена многочисленными 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 нефти и газа. Разработка нефтяных и газовых месторождений и связанные с ними изменение пластового давления, различные виды воздействия на залежь для повышения нефтеотдачи нарушают природное равновесное состояние недр, создавая предпосылки для возникнове­ния деформаций горного массива и земной поверхности. Наблюдающиеся при этом оседания земной поверхности могут составлять от нескольких миллиметров до нескольких метров. Для большинства месторождений скорости просадок составляют умеренные величины – один-два сантиметра в год, а накопленные величины просадок земной поверхности не превышают десятков сантиметров. 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 сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных скважин, заболачивание и затопление опускающихся участков земной поверхности, региональное проявление оползневых процессов.

Также известны многочисленные случаи сейсмических явлений, сопровождающих 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 месторождениях углеводородов для прогноза и снижения последствий опасных геомеханических и геодинамических явлений.

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

Задачи исследований:

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

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

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

- обосновать выбор наиболее представительных механических моделей для расчета напряженно-деформированного состояния горных пород на месторождениях нефти и газа и рассмотреть особенности их применения;

- выполнить анализ характера и степени влияния различных факторов на параметры процесса сдвижения горного массива и земной поверхности и выявить наиболее значимые из них;

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

Методы исследований. Работа выполнена на основе проведения и анализа результатов инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности, испытаний физико-механических свойств образцов керна и их статистической обработки, решения аналитических и численных задач механики горных пород.

Научные положения, выносимые на защиту:

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

2. Величина уплотнения коллекторов при снижении исходного пластового давления обусловлена деформациями скелета породы, которые определяются экспериментально установленными закономерностями объемных деформаций сжатия порового пространства и формообразующих минералов породной матрицы.

3. Общие относительные деформации коллектора и горного массива при добыче нефти и газа определяются показателями средневзвешенного пластового давления и зависят от соотношения упругих свойств коллекторов и вмещающих пород, а также от отношения мощности и геометрических размеров пластов к глубине их залегания.

4. Оценка магнитуд техногенных сейсмических явлений при добыче нефти и газа основывается на модели неустойчивого роста трещин при сдвиге по тектоническим 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 пластового давления, геометрических размеров нарушения, давления флюида в разломной зоне, а также от характеристик полной диаграммы сдвига пород по поверхности раздела.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается представительным объемом лабораторных и натурных измерений, применением широко распространенных и апробированных механических моделей горных пород и отлаженных программных продуктов, удовлетворительной сходимостью расчетных 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 земной поверхности при добыче нефти и газа;

- установлено, что в центральной части отрабатываемых пластов нефтегазовых месторождений деформации коллекторов близки к условиям одномерного уплотнения, а на флангах условия одномерного уплотнения не выполняются и напряженное состояние имеет более сложный вид;

- показано, что для расчета деформаций горного массива можно использовать показатели средневзвешенного пластового давления и не учитывать неравномерность 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 месторождений;

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

- разработана и реализована численная модель скольжения с разупрочнением для оценки возможности активизации разломных структур с использованием специальной 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 наибольшей 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 геодинамических явлений на месторождениях нефти и газа для оценки степени технологического, экологического и экономического ущерба; обосновании и внедрении мер охраны и мониторинга состояния ответственных объектов.

Реализация работы. Установленные на основе прогнозных расчетов параметры напряженно-деформированного состояния горных пород и земной поверхности использовались для обоснования мер охраны подрабатываемых объектов и создания геодинамических полигонов, которые были внедрены 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».

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих совещаниях, конференциях и конгрессах: международной конференции «Проблемы геодинамической безопасности» (Санкт-Петербург, 1997); XI Российской конференции по механике горных пород (Санкт-Петербург, 1997); международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 1999); международной научно-практической конференции «Геоэкология и современная геодинамика нефтегазоносных регионов» (Москва, 2000); международной конференции «Проблемы добычи и переработки нефти и газа в перспективе международного сотрудничества ученых Каспийского региона» (Астрахань, 2000); III международном рабочем совещании «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении» (Санкт-Петербург, 2001); XIII международном 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, заключения и изложена на 315 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков, 25 таблиц и библиографический список из 177 наименований.

Автор выражает свою искреннюю признательность сотрудникам кафедры “Маркшейдерское дело, геодезия и геоинформационные системы” Пермского государственного технического университета за плодотворное сотрудничество и постоянное внимание к работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние изученности вопроса и задачи исследований

Проблемы механики горных пород при разработке месторождений углеводородов довольно широко представлены в многочисленных публикациях в ведущих мировых научных изданиях, т.к. практически все аспекты разведки и добычи углеводородного сырья касаются данной области знаний. Существенная часть работ посвящена таким проблемам, как прогноз и мониторинг деформаций земной поверхности, прогноз и мониторинг техногенных сейсмических явлений, устойчивость и разрушение поверхностных нефтепромысловых систем.

Обобщение достаточно обширного опыта геодезического мониторинга деформационных процессов позволило выявить основные факторы, которые определяют возможность интенсивных и обширных просадок земной поверхности над длительно разрабатываемыми месторождениями (Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О.). Также с помощью инструментальных наблюдений выявлены типы современных геодинамических движений земной поверхности и механизмы их возникновения. Созданы модели расчета аномальных движений, установлено их соответствие с региональными типами напряженного состояния земной коры (Кузьмин Ю.О.). Большие объемы исследований выполнены в части разработки методов выделения активных разломов и геодинамически потенциально опасных зон, критерии оценки зон риска по различным параметрам, способы организации геодинамического мониторинга (работы институтов ВНИМИ, ЗСФ ИНГГ СО РАН).

Одними из наиболее опасных проявлений геодинамической активности на месторождениях нефти и газа следует считать техногенные сейсмические события. Для оценки интенсивности этих явлений разработаны математические модели, которые сводятся к расчету напряженно-деформированного состояния горного массива, содержащего поверхности ослабления (Дж.Райс, Барях А.А., Roest J.P.A., W.Kuilman). При этом показатели динамических смещений по разломным структурам обычно определяют на основе упругой или упругопластических моделей. Для более точных расчетов требуется использование специальных моделей, учитывающих полные диаграммы сдвига пород по плоскостям ослаблений.

Для расчета оседаний земной поверхности на месторождениях нефти и газа используются различные методы. Часть из этих методов аналогична применяемым на угольных и рудных месторождениях и использует функции единичного влияния элементарного вынутого объема на земную поверхность (Ю.П.Борисов, А.С. Мазницкий, Л.М. Середницкий). Также известен метод расчета оседаний, разработанный Geertsma и основанный на линейной теории упругости изотропной среды. Указанные методы позволяют осуществлять достаточно надежный прогноз максимальных оседаний земной поверхности. 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 эффективными стали численные методы. Большой вклад в развитие численных методов 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 надежности прогнозов. Однако такие работы выполнены для ограниченного числа месторождений 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 напряженно-деформированного состояния, отсутствуют рекомендации по выбору наиболее подходящих механических моделей горных пород и особенностям их применения. Решение указанных проблем представляет 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



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.