Содержание к диссертации
Введение
Основные понятия, термины и определения элементов сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке месторождений углеводородного сырья 13
1. Существующий опыт создания маркшейдерско геодезических полигонов для контроля деформированного состояния земной поверхности при разработке нефтяных месторождений 17
1.1. Мировой опыт изучения деформационных процессов при разработке месторождений углеводородного сырья 17
1.2 . Существующие методы прогноза оседаний земной поверхности при добыче нефти 26
1.3. Опыт изучения деформационных процессов при разработке 30
месторождений нефти на территории Западной Сибири
1.3.1. Основные результаты работ, проведенных на Усть Балыкском геодинамическом полигоне в 1988-1990 гг. 30
1.3.2. Основные результаты работ, проведенных на Усть Балыкском геодинамическом полигоне в 2000 г. 37
1.3.3. Анализ существующих результатов инструментальных наблюдений за процессами сдвижения земной поверхности на Федоровском месторождении ОАО «Сургутнефтегаз» 40
1.3.4. Краткие итоги наблюдений на других месторождениях 43
1.4. Геологические и геомеханические условия разработки Усть Балыкского, Западно-Сургутского, Чумпасского, Ватинского месторождений 45
1.4.1. Общие сведения о месторождениях 45
1.4.2. Геологическая характеристика месторождений 46
Выводы по главе 1 55
2. Инженерный метод прогноза оседаний земной поверхности при разработке месторождений нефти в Западной Сибири 58
2.1. Некоторые геомеханические характеристики коллекторов 58
2.2. Физико-механические свойства пород-коллекторов месторождений Западной Сибири 65
2.3. Упрощенный метод прогноза оседаний земной поверхности
при разработке нефтяных месторождений Западной Сибири 80
2.4. Апробация инженерного метода прогноза максимальных оседаний земной поверхности 84
2.5. Влияние механических свойств коллекторов на
максимальные оседания земной поверхности 91
Выводы по главе 2 93
3. Проектирование и строительство маркшейдерско геодезических полигонов для контроля сдвижений земной поверхности при разработке нефтяных месторождений Западной Сибири 95
3.1. Основные принципы создания маркшейдерско-геодезических полигонов для контроля деформированного состояния земной поверхности при разработке нефтяных месторождений Западной Сибири 95
3.2. Основные положения методики выполнения наблюдений за сдвижением земной поверхности традиционными методами и с применением спутниковых навигационных систем 103
3.3. Проектирование и создание маркшейдерско-геодезических полигонов на Западно-Сургутском, Чумпасском, Ватинском месторождениях 121
Выводы по главе 3 134
Заключение 136
Список использованных источников
- . Существующие методы прогноза оседаний земной поверхности при добыче нефти
- Физико-механические свойства пород-коллекторов месторождений Западной Сибири
- Основные положения методики выполнения наблюдений за сдвижением земной поверхности традиционными методами и с применением спутниковых навигационных систем
- Проектирование и создание маркшейдерско-геодезических полигонов на Западно-Сургутском, Чумпасском, Ватинском месторождениях
. Существующие методы прогноза оседаний земной поверхности при добыче нефти
Обзор литературных источников показывает, что имеется довольно большое количество работ, посвященных прогнозу оседаний земной поверхности при отработке нефтяных и газовых месторождений. Данные методы можно условно подразделить на три основные группы.
1. Методы прогноза, основанные на теоретических представлениях, заимствованных из методов предрасчета параметров процесса сдвижения горных пород при разработке пологопадающих угольных месторождений.
2. Методы прогноза, основанные на оценке параметров уплотнения коллектора в процессе отбора углеводородного сырья.
3. Методы прогноза, основанные на использовании численных моделей расчета напряженно-деформированного состояния горного массива.
Первая группа методов характерна для раннего периода развития механики горных пород при добыче нефти и газа и основывается на широко известных работах ученых - основоположников науки о сдвижении горных пород на пологопадающих угольных месторождениях: С.Г.Авершина, В.Н.Земисева, М.А.Иофиса, Е.Литвинишина, Г.Кратча и др. [1, 2, 3, 4, 5]. В данных методах для прогноза мульды сдвижения земной поверхности используется основное решение дифференциального уравнения сдвижения горных пород параболического типа [48, 50, 103, 104]. Характерным недостатком данных методов является то, что они практически не опираются на реальные физико-механические свойства вмещающих пород.
Во второй группе методов оседание земной поверхности при добыче нефти напрямую связывается с величиной уплотнения нефтяного коллектора. Это работы Э.Г.Геровича [62], А.С.Мазницкого [45], К.Н.Никоненко [5], Б.И.Тульбовича, В.И.Петренко и др. [44, 48], ряда зарубежных специалистов [88, 90, 98, 99, 103]. Основное отличие заключается в методах расчета сжимаемости коллектора, однако, в большинстве методов используются параметры уплотнения порового пространства, подробно представленные В.М.Добрыниным [8]. Последующее интегрирование по объему полученной функции уплотнения коллектора дает искомое оседание поверхности в любой интересующей исследователя точке. Данный подход заимствован из широко применяемых методов прогноза сдвижений земной поверхности при разработке угольных месторождений и подробно описанных в монографии Г.Кратча [3]. Основным недостатком данных подходов является неучтенность конкретных физико-механических свойств и структурных особенностей массива, а также механической модели деформирования самого коллектора. Последний недостаток также является весьма существенным, т.к. при производстве подробных специальных расчетов неучет механики деформирования коллектора не позволяет получить качественную и, тем более, количественную картину НДС всего горного массива с учетом его структурных особенностей.
К настоящему времени разработано большое количество модельных представлений, охватывающих практически весь спектр механики сплошных сред. В связи с интенсивным развитием численных методов, их стремятся реализовать в различных компьютерных программах. Очевидно, что данное направление является на сегодняшний день наиболее перспективным, т.к. возникает возможность моделировать разнообразные горно-геологические ситуации, прогнозировать величины параметров моделируемого процесса. Однако в России, в отличие от других стран, подобное направление начало разрабатываться сравнительно недавно [28, 30, 32, 33, 34, 44].
В качестве механической модели поведения коллектора под нагрузкой используются упругая и пластическая модели, модели среды с консолидацией и так называемая "шатровая" модель, которая отражает основные особенности деформирования пористых насыщенных сред под нагрузкой [89, 92, 93]. Следует отметить, что данная модель является также одной из наиболее признанных и широко используемых в зарубежной литературе. Известны работы специалистов компании "Phillips Petrolimn Compani" (Chin L.Y., Boade R.R. et al. [81-87]), реализовавших данную модель методом конечных элементов в трехмерной постановке для условий резервуара Экофиск в Северном море, где оседание дна моря к 1993 г. достигло 6-7 м [31]. По этому же пути идут B.Plischke, также прогнозирующий оседания при добыче нефти в Северном море [92], L.W.Teufel, J.-C.Roegiers [90, 91, 95], описывающие деформирование и разрушение коллектора, и многие другие работы. Подробные литературные ссылки можно найти в трудах конгресса по механике горных пород при разведке и разработке нефти (Rock Mechanics in Petroleum Enginering, 29-31 August, 1994,Delft. The Netherlands. EUROCK 94).
При разработке нефтяных месторождений чаще всего требуется знание возможного максимального оседания земной поверхности. Данный метод был разработан в ходе выполнения исследований. Для проверки соответствия действительности предлагаемого инженерного метода расчета максимальных оседаний земной поверхности в настоящей работе был использован численный метод конечных элементов (МКЭ), который считается наиболее признанным в мире. Непосредственно расчеты выполнялись в программном комплексе "GEOTECH" [32, 33, 34], разработанном под руководством проф. Кашникова Ю.А. на кафедре маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем (МДГ и ГИС) Пермского государственного технического университета. В основе программного комплекса также реализована «шатровая» модель. Данный конечно-элементный комплекс неоднократно с успехом применялся для целей прогноза параметров процесса сдвижения при разработке нефтяных и газовых месторождений [37, 39, 77-80].
Физико-механические свойства пород-коллекторов месторождений Западной Сибири
Физико-механические свойства горных пород являются основными параметрами, влияющими на протекание геодинамических процессов в геологической среде. Можно выделить следующие группы физико-механических свойств, которые определяют напряженно-деформированное состояние горных пород:
1. Упругие свойства горных пород. Упругие параметры (модуль упругости и коэффициент Пуассона) непосредственно определяют величины напряжений и деформаций в горных массивах при природных и техногенных воздействиях.
2. Прочность горных пород. Прочностные характеристики (прочность на одноосное сжатие, сцепление, внутреннее трение) определяют возможность разрушения горных пород и их разрыхления (дилатансии) под влиянием действующих нагрузок. Возможность разрушения и дилатансии горных пород обязательно должна учитываться при оценке техногенных воздействий на недра.
3. Компрессионные свойства коллекторов. Компрессионные свойства характеризуют изменение пористости (уплотнение) пород-коллекторов при росте всестороннего давления. Уплотнение коллекторов в процессе разработки под влиянием горного давления определяет оседания земной поверхности и изменения фильтрационно-емкостных свойств залежей.
В механике горных пород накоплен большой опыт изучения упругих и прочностных свойств горных пород. Как известно, различают прямые методы изучения упругих характеристик пород и косвенные, основанные на измерении скорости распространения упругих волн в твердых телах.
Динамические методы определения деформационных характеристик с помощью ультразвука или сейсмоакустики базируются на формулах теории упругости, которые связывают скорости распространения продольных Vp и поперечных Vs упругих волн с модулем упругости [7, 18] V2p = Е р (1-v) / [ (1+v) (l-2v) ], 2.2.1 V2s = Ep/[2(l+v)], 2.2.2 где р - плотность; Е, v - модуль упругости и коэффициент Пуассона. Простота и доступность геофизических методов изучения упругих характеристик обеспечила им довольно широкое распространение, хотя их if результаты рассматриваются большей частью как вспомогательные. В настоящее время накоплен довольно большой материал геофизических исследований упругих свойств керна различных месторождений Западной Сибири. В механике горных пород хорошо известно, что модуль упругости горных пород зависит от уровня действующих нагрузок - при повышении напряжений модуль упругости увеличивается [1, 17]. В природных условиях действующие напряжения зависят прежде всего от глубины залегания и плотности горных пород, т.е. можно предположить, что модуль упругости образцов керна будет зависеть от глубины отбора образцов. В этой связи на рис. 2.2.1 представлена зависимость упругих параметров образцов керна ряда месторождений (Чумпасского, Поточного, Северо-Поточного, Лас-Еганского и др.) в зависимости от глубины залегания пород. Для построения этой зависимости использованы Л результаты испытаний институтов «СургутНИПИНефть», «СибНИИНП», «КогалымНИПИнефть» и ряда других. На рис. 2.2.1 видно, что упругие свойства пород в целом укладываются в общую зависимость - с увеличением глубины залегания образцов их модуль упругости возрастает. Корреляционные зависимости, представленные на рисунке, позволяют получить предварительную оценку динамического модуля упругости коллектора при отсутствии # непосредственных экспериментальных данных. Как уже говорилось, геофизические методы изучения упругих їжтериетиж горных пород рассматриваются большей частью как всиомогательнме. Причина заключается в том, что динамические модулі: уїіругостм, как правило, превышают модули., шмучемнме прямыми статическими испытаниями..,
Как можно видеть, четкой зависимости между статическим и динамическим модулем упругости не прослеживается. Очевидно, что корреляционные зависимости могут быть построены только для конкретных видов пород. Так, например, Моревой Е.В. [41] получена следующая корреляционная зависимость для баженовских отложений Южно-Камынского и Маслиховского месторождений: Ест = а х Едм , 2.2.3 где - N = 1,08 ± 0,02 и а = 0,35 ± 0,05. Этой зависимостью можно воспользоваться для предварительной оценки статического модуля упругости коллектора при отсутствии других данных.
В горной геомеханике для описания прочности пород используются, как правило, такие характеристики, как прочность на одноосное сжатие и растяжение, сцепление и угол внутреннего трения. Наиболее просто и оперативно могут быть получены прочность на одноосное сжатие асж и одноосное растяжение стр. В отличие от упругих параметров, прочностные характеристики коллекторов западно-сибирских месторождений изучены в гораздо меньшей степени. Имеются только единичные результаты испытаний для отдельных месторождений.
Основные положения методики выполнения наблюдений за сдвижением земной поверхности традиционными методами и с применением спутниковых навигационных систем
При выборе мест расположения профильных линий, мест закладки реперов рекомендуется пользоваться следующими принципами: 1) реперы должны располагаться в непосредственной близости от основных промышленных сооружений нефтепромысла, т.к. основное назначение любой наблюдательной станции - исследование процессов сдвижения в районе сооружений, контроль развивающихся деформаций в подрабатываемых объектах; 2) реперы должны закладываться в благоприятных условиях с позиции инженерной геологии, т.е. следует избегать оползневых участков, крутых склонов, заболоченных участков, участков карстоообразования, оврагообразования и т.д. Профильная линия, по возможности, не должна проходить через сложный рельеф; 3) профильные линии должны, по возможности, проходить через эффективные максимально нефтенасыщенные мощности коллектора и пересекать максимально возможное число структурных особенностей месторождения, т.к. геодинамика недр прежде всего определяется смещением по крупным тектоническим нарушениям и линеаментным структурам. Другим условием должно быть прохождение профильных линий через зоны существующего и прогнозного максимального падения пластового давления, т.е. фактически через зону максимальных оседаний.
При определении длин профильных линий реперов следует руководствоваться, прежде всего, накопленными сведениями о граничных углах сдвижения на уже исследованных месторождениях России. Для практических расчетов минимальное значение данного параметра принимается 60, уменьшенное (согласно рекомендациям нормативных документов [60] ) на величину поправки ДРо=Ю, составит 50. Под этим граничным углом, откладываемым от нижней границы ВНК или от проектируемых крайних забоев добывающих скважин, должны располагаться кусты опорных реперов. 3.1.4. Куст опорных реперов должен состоять из трех опорных реперов, заложенных в вершинах треугольника со сторонами 20-50 м. Рекомендуется располагать опорные реперы так, чтобы была возможность измерять превышения между ними с одной станции.
Расстояние между рабочими реперами должно быть в среднем 400-500 м, т.к. прогнозируемые незначительные величины оседаний и горизонтальных сдвижений, а также большая глубина разработки обуславливают возникновение плавной мульды сдвижений. Реперы, располагаемые через 500 м должны закладываться по возможности на возвышенных местах, не подверженных оползневым явлениям. В местах пересечения профильных линий крупных предполагаемых структурных особенностей горного массива рекомендуется сгущение реперов до 20-50 м и использование обычных реперов забивного типа, которые по данным Г.Л.Фисенко, вполне устойчивы в слабых грунтах. На данных участках земной поверхности дополнительно измеряют горизонтальные деформации земной поверхности путем измерения расстояний между реперами. Используют стальные компарированные рулетки и жесткие отвесы. Расстояния между реперами измеряют в прямом и обратном направлениях. Расхождение горизонтальных расстояний между крайними реперами прямого и обратного ходов не должно превышать 1/10000 длины профильной линии. Допускается использование светодальномеров и электронных тахеометров, дающих СКО измерения длины до 5 мм.
Когда добывается нефть под комплексом зданий (поселок, район города, производственное предприятие с большим числом сооружений), для наблюдения выбираются наиболее представительные сооружения и на них ведут наблюдения по стенным и грунтовым реперам, а также закладывают профильные линии по определенным направлениям (вдоль улиц, осей расположения объектов и т.д.). На застроенных территориях для исключения возможности повреждений подземных коммуникаций места закладки реперов согласуются с местными органами власти.
Одна из основных задач геодинамических полигонов фиксирование смещений структурных блоков глобального масштаба. Опыт наблюдений на нефтяных месторождениях Западной Сибири показал наличие незначительных оседаний, величины которых не отражают движение блоков вследствие неустойчивости верхней части земной коры, т.е. они не позволяют выявить динамически напряженные зоны, которые активизируются при сейсмических явлениях. Мировой опыт показывает, что геодинамика связывается, прежде всего, с взаимным горизонтальным смещением блоков относительно друг друга, активизацией разломов. При этом высотные отметки, определяемые нивелированием, могут практически не изменяться [14,17,20,100,101,102]. При выборе радионавигационной системы для проведения наблюдений рекомендуется отдать предпочтение Глобальной системе позиционирования и навигации Global Positioning System (GPS), производства CIIIA, как наиболее точной из существующих систем СРНС.
Проектирование и создание маркшейдерско-геодезических полигонов на Западно-Сургутском, Чумпасском, Ватинском месторождениях
Основные положения создания наблюдательных маркшейдерско-геодезических полигонов, разработанные в предыдущих разделах, были применены при проектировании и строительстве полигонов на Западно-Сургутском, Чумпасском и Ватинском месторождениях [77, 78, 79, 80].
1. При создании наблюдательной станции классического типа не рекомендуется отходить от традиционного расположения реперов по профильным линиям. Станция должна состоять, по меньшей мере, из двух линий реперов, охватывающих наиболее застроенную многоэтажную часть города. В связи с этим на Западно-Сургутском месторождении рекомендуется закладка двух профильных линий реперов - восточной и западной, проходящих, соответственно, через улицы Островского и Кукуевицкого (рис.3.3.1). На Чумпасском месторождении получилась более сложная сеть реперов, охватывающая всю застроенную территорию (рис.3.3.2). На Ватинском месторождении запроектирована центральная линия и линия, проходящая ей перпендикулярно (рис.3.3.3), они также охватывают всю застроенную территорию.
2. Центральным вопросом при определении длины профильных линий является вопрос о значении граничного угла сдвижения, т.е. угла, определяемого на крайнюю точку земной поверхности с оседанием 10-15 мм. Инструкция [59] рекомендует относить опорные реперы на наблюдательных станциях нефтяных месторождений на расстояние до 2Н, где Н -глубина нижнего ВНК. Данная инструкция была разработана более 10 лет назад, когда еще не был обобщен опыт инструментальных наблюдений на нефтяных месторождениях, и тем более совершенно не учтен опыт наблюдений на месторождениях Западной Сибири. Поэтому при создании полигона на Западно-Сургутском, Чумпасском и Ватинском месторождениях следует руководствоваться прежде всего накопленными за последние годы сведениями о процессе сдвижения на соседних, в том числе на Уральских нефтяных месторождениях, а также результатами математического моделирования процессов сдвижения горных пород. Результаты наблюдений, например, на Уньвинском (Западный Урал) месторождении дают значение граничного угла, большее 90, на Чашкинском (Западный Урал) месторождении - ориентировочно равное 65-70. Результаты моделирования процессов сдвижения горных пород при отработке Западно-Сургутского, Чумпасского и Ватинского месторождений дают значение граничного угла сдвижения 55-60. Таким образом, в качестве граничного угла сдвижения следует принять минимальное из его значений, уменьшенное (согласно рекомендации нормативного документа [60] ) на величину поправки ДРо=Ю, т.е. 45-50. Именно под этим граничным углом, откладываемым от крайней границы расположения забоев добывающих скважин, должны располагаться кусты опорных реперов. В соответствии с этим, длины профильных линий относительно крайних забоев скважин по нижнему отрабатываемому пласту должны быть равными приблизительно 2,5 км. При этом область рабочих реперов составляет ориентировочно 2,0 км. На расстоянии примерно 0,5 км от крайних рабочих реперов располагается по два опорных репера.
3. При выборе типа реперов и определения расстояний между ними рекомендуется использовать следующие подходы.
1). Основной тип рабочего репера - Тип 188 или Тип 150 Правил закладки центров и реперов на пунктах геодезической и нивелирной сети. М. .Геодезиздат, 1993. Рабочие реперы рекомендуется закладывать на глубину 3,5-4 м. В качестве опорного репера рекомендуется использовать Тип 160 или Тип 162 , бетонируемая часть которых заложена на глубину 3,5-4 м. Опорные реперы профильных линий располагаются в районе Нефтеюганского шоссе и представляют собой 2-3 репера в кусте. Рабочие и опорные реперы закладываются на глубину 4-5 м. При выборе конкретных мест их закладки рекомендуется пользоваться рекомендациями Правил.
2). Расстояние между рабочими реперами должно быть в среднем 200-250 м, т.к. прогнозируемые незначительные величины оседаний и горизонтальных сдвижений, а также большая глубина разработки обуславливают возникновение плавной мульды сдвижения. Реперы должны закладываться по возможности на возвышенных местах, не подверженных просадочным и оползневым явлениям.
Интервал 200-400 м характеризует уровень подвижек структурных блоков локального типа. Рекомендуется также в местах выявленных со временем интенсивных оседаний сгущать интервалы между реперами до 50-100 м, используя для этих целей вышеуказанные реперы.
4. Рекомендуется выполнять нивелирование по методике II класса. Периодичность наблюдений должна быть различной. В начальной стадии разработки месторождения (на упругом режиме), когда будет наблюдаться интенсивное падение пластового давления и ожидаемое вслед за этим возможное активное оседание поверхности, рекомендуются относительно учащенные наблюдения - один раз в год (период 3-5 лет). В последующем наблюдения рекомендуется проводить раз в три года.
Привязка опорных реперов должна осуществляться от реперов аналогичного класса точности, однако, учитывая, что реперы нивелирования II класса на территории городов Сургута и Лангепаса, к примеру, отсутствуют, следует передать отметку от реперов III класса и в последующем принять ее за «твердую». Рекомендуется первую и вторую серии наблюдений выполнить с особой тщательностью и при получении из второй серии отметок реперов в пределах точности наблюдений, принять за исходные отметки их усредненные из двух серий значения.
В случае интенсивного развития процессов сдвижения, фиксируемого по профильным линиям, потребуется дальнейшее увеличение длин линий и, соответственно, перенесение опорных реперов. Для каждого месторождения это определяется в рамках дополнительного проекта. Для Западно-Сургутского месторождения их перенесение возможно, например, только на север, поскольку с востока и запада к городу подступают техногенно нагруженные территории Восточно-Сургутского и Западно-Сургутского месторождений.
Программа и методика работ в районе городской застройки на Западно-Сургутском, Чумпасском и Ватинском месторождениях не предусматривает измерение горизонтальных сдвижений и последующий расчет горизонтальных деформаций. Этот серьезный недостаток программы объясняется весьма высокой трудоемкостью работ по определению полного вектора сдвижений. Однако промышленные сооружения, особенно трубопроводы, наиболее чувствительны именно к этому виду деформаций. Так подземные магистральные газо- и нефтепроводы, уложенные в плотную глину, выдерживают горизонтальные деформации подработки не более є=(1ч-2)10 3. Причем при достижении величины є=0.6-10"3 (для стали СТ2 и СТЗ) уже должна производиться разрезка и замена трубопровода [58]. В связи с этим, вопрос определения горизонтальных деформаций становится гораздо более актуальным, чем оседаний. Это особенно важно при наличии выхода тектонических нарушений, границ мезоблоков и иных крупных структурных особенностей. При обнаружении в ходе многолетних нивелировок активных тектонических нарушений, пересекающих линейные сооружения, следует создавать короткие профильные линии, пересекающие нарушение, со сгущением реперов до 20 м, по которым следует выполнять нивелирование и измерение длин линии стальной компарированной рулеткой.
