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 5 ] --

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).

 Зависимость магнитуд сейсмических событий от размера разлома по-33

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

Месторождение Продуктивные объекты Суммарная мощность, м Макс. оседание, мм
Усть-Балыкское БС1-5, БС10 35 122
Мамонтовское АС4-6, БС8, БС10-11 33 124
Правдинское БС5-6, БС8-9 20 40
Приобское АС10-АС12 45 360
Западно-Сургутское БС1-4, БС10 25 89
Восточно-Сургутское БС10, ЮС1-1, ЮС2-2 23 45
Родниковое БС12 10 36
Чумпасское АВ1, БВ6, БВ18-22 31 124
Ватинское АВ1-2, БВ8, ЮВ1 24 82

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).

 Расчетные и замеренные оседания на Уренгойском месторождении -34

 Расчетные и замеренные оседания на Уренгойском месторождении -35

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.

Рис. 16. Объемная конечно-элементная модель участка АГКМ

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.



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.