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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

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

-- [ Страница 2 ] --

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. Инструментальные наблюдения были организованы при участии автора на всех основных объектах исследований диссертационной работы - Уренгойском (УНГКМ) и Астраханском (АГКМ) газоконденсатных месторождениях, на нефтяных месторождениях севера Пермского края (Уньвинское, Чашкинское, Юрчукское, Сибирское, Шершневское), на ряде месторождений Западной Сибири (Усть-Балыкское, Мамонтовское, 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 геодезический мониторинг обширных территорий месторождений углеводородов. В ходе работ по проектированию наблюдательных станций были сформулированы основные принципы организации инструментальных наблюдений на месторождениях нефти и газа, которые 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».

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 количество реперов нивелирной сети составляет 90 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 максимальным количеством векторов на каждом пункте и большой избыточностью измерений, что в конечном итоге приводит к более высокой точности и надежности координатных определений. Количество пунктов GPS-сети 13 шт.; количество измеряемых векторов в сети – 30; площадь полигона составляет 73,3 км2.

Рис. 1. Схема наблюдательной станции на Сибирском месторождении

Анализ результатов наблюдений показывает, что вертикальные смещения большинства реперов на Сибирском, Шершневском, Логовском, Уньвинском и Чашкинском месторождениях не превышают 20-30 мм (рис. 2). В картине распределения вертикальных сдвижений не выявлено четких особенностей, однако наблюдаются преимущественные оседания, что позволяет говорить о незначительных проявлениях процессов сдвижения, вызванных добычей нефти. Наблюдаются колебания отметок реперов, которые, скорее всего, вызваны неустойчивостью реперов в болотистом грунте, структурными особенностями поверхности, геодинамическими и локальными техногенными процессами. Максимальные оседания реперов составляют 15-35 мм. Результаты обработки GPS-наблюдений также показывают, что горизонтальные 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 тенденция незначительных оседаний земной поверхности над отрабатываемым месторождением.

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 оседания земной поверхности не превышают 10 мм; на Чумпасском месторождении в районе г.Лангепас за пять лет наблюдений (2001-2006 гг.) проявилась устойчивая тенденция оседаний земной поверхности, 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 наблюдательной станции Уренгойского газоконденсатного месторождения (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 газоконденсатном месторождении за три года наблюдений (2003-2007г) четко сформировалась мульда оседаний величиной до 24 мм (рис.3).

В целом можно констатировать, что созданная на месторождениях система мониторинга обеспечивает надежный контроль геомеханических и геодинамических процессов, сопровождающих отработку углеводородов. Результаты инструментальных наблюдений показывают устойчивую тенденцию оседаний земной поверхности, вызванных отработкой нефти и газа. Сами величины сдвижений при этом незначительны и составляют первые сантиметры. Незначительные величины фиксируемых сдвижений объясняются тем, что выполненные инструментальные наблюдения 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.

 Графики оседаний реперов по профильной линии гл.рп.5-гл.рп.9 наблюдательной-2

Рис. 3. Графики оседаний реперов по профильной линии гл.рп.5-гл.рп.9

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 месторождения нефти и газа, чрезвычайно разнообразны 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 качестве основной модели пород-коллекторов применялась (наряду с наиболее простой 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 напряжениями 1 2 = 3. Вводится эффективное гидростатическое напряжение , девиаторное напряжение q и коэффициент пористости e, как отношение объема пор к объему твердого тела: = (1/3)(1+23); q = 1 - 3; e=n/(1-n), где n- пористость.

Изменение коэффициента пористости при нагрузке и разгрузке для большинства пористых пород можно представить в виде линейной функции от логарифма гидростатического напряжения :

e = N - ln; e = ek - kln,

где , k – углы наклона прямых соответственно при нагрузке и разгрузке; N, ek– начальные значения коэффициента пористости. При этом деформирование образца при разгрузке и повторной нагрузке считается упругим. Согласно основных положений 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. Согласно ассоциированного закона пластического течения поверхность текучести одновременно является также поверхностью пластического потенциала, т.е.

где F, Q обозначают соответственно критерий разрушения и пластический потенциал; М – параметр линии критического состояния (CSL) вида q = M.

Рис. 4. Виды поверхностей течения в шатровой модели

Появление объемных пластических деформаций pv означает упрочнение материала, т.е. расширение области упругости Арс по закону

В области низких нормальных напряжений (при < pc/2) упрочнение материала невозможно и появление пластических деформаций связано с разрушением материала при сдвиге или при растяжении. В диаграмме -q форма критерия разрушения от сдвига аналогична критерию Кулона-Мора:

где

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 область, т.е. происходит разупрочнение. Однако следует отметить, что специфика деформирования коллекторов при падении пластового давления в обычных условиях не создает условий для разрушения от сдвига или растяжения.

Большим преимуществом МССМ-модели является возможность учитывать различие в деформируемости пород при нагрузке и разгрузке. Если нагружение происходит по траектории, приблизительно нормальной к эллиптической поверхности текучести (что характерно для процесса уплотнения коллекторов), то модель хорошо описывает взаимосвязь напряжений и деформаций. Немаловажным достоинством также является малое число экспериментальных параметров: , k и М– три величины, определяемые при стандартных компрессионных и стабилометрических испытаниях.

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).

 Полная диаграмма деформирования по контакту скальных пород. Согласно-7

Рис.5. Полная диаграмма деформирования по контакту скальных пород.

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

где-вектор скорости нормальных и касательных вязкопластических смещений по трещине; {т} = {n, res}т - нормальные и касательные напряжения в плоскости трещины; FT, QT - критерий разрушения и пластический потенциал.

Считая, что предельное сопротивление сдвигу р выражается критерием Джагера и с учетом полных диаграмм сдвига (рис. 5) были получены критерии разрушения на стадиях упрочнения и разупрочнения. В стадии упрочнения (s р)

На стадии разупрочнения (s >р)

Соответствующие значения частных производных пластического потенциала имеют вид:

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 разупрочнения.

Рассмотренная модель неоднократно применялась для прогноза НДС подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений, где показала свою эффективность. Параметрами, которые в данной модели определяют характер полной диаграммы сдвига, являются предельное смещение по трещине р и параметр разупрочнения . Для определения этих характеристик требуется очень сложное и точное оборудование. В работе использовались табличные значения этих величин, полученные Лейхтницем, Ербаном и другими исследователями. С целью снижения степени неопределенности, вызванной использованием табличных значений р и , при выполнении расчетов производился анализ влияния данных параметров на расчетные показатели напряженно-деформированного состояния массива.

При обосновании параметров расчетных моделей использовались непосредственные 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 Институте проблем механики РАН на специальной установке 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 1,4-1,7 раза при росте эффективного давления до 60МПа (табл.1).

Таблица 1 - Зависимость модуля упругости известняка от всестороннего давления

0, МПа 15 30 45 60
Е, ГПа 19,2 23,7 27,1 29,1


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.