Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и степень ее изученности 10
1.1. Типизация техногенных геодинамических явлений, характеристика техногенных нагрузок на литосферу 10
1.2. Современные геодинамические процессы при разработке Астраханского ГКМ 14
2. Геолого-гидрогеологические условия Астраханского месторождения 19
2.1. Литолого-стратиграфический разрез 19
2.2. Тектонические особенности Астраханского свода 35
2.3. Гидрогеологические особенности 39
2.4. Продуктивные резервуары, особенности пород-коллекторов и флюидоупоров Астраханского месторождения 42
3. Характеристика природно-технических систем при строительстве и эксплуатации скважин 55
3.1. Особенности конструкций скважин 55
3.2. Взаимодействие геологической среды и скважины 60
3.3. Оценка долговечности скважин 64
3.4. Состояние межколонных пространств в скважинах на АГКМ 67
4. Закономерности развития инженерно-геологических процессов 73
4.1. Характеристика инженерно-геологических процессов при бурении, эксплуатации и ликвидации скважин 75
4.2. Критерии перераспределения напряженного состояния массивов горных пород 88
4.3. Особенности аномально-высоких пластовых давлений при освоении месторождений 92
4.4. Процессы обводнения скважин 103
5. Обеспечение безопасности на стадиях строительства, функционирования, консервации и ликвидации скважин 116
5.1. Источники техногенного воздействия и безопасность при освоении месторождений 116
5.2. Инженерно-геологическая зональность массивов горных пород Астраханского месторождения 131
5.3. Система мониторинга 137
Заключение 147
Список использованных источников 149
- Современные геодинамические процессы при разработке Астраханского ГКМ
- Продуктивные резервуары, особенности пород-коллекторов и флюидоупоров Астраханского месторождения
- Взаимодействие геологической среды и скважины
- Критерии перераспределения напряженного состояния массивов горных пород
Введение к работе
Актуальность проблемы обусловлена производственной и научной необходимостью оценки инженерно-геологических процессов в литосфере юго-западной части Прикаспийской впадины в связи с освоением Астраханского месторождения. Техногенное воздействие на массивы горных пород при строительстве скважин осуществляется все на большие глубины, в результате чего формирование геотехносферы происходит до глубины 7000 м. Масштабы и направленность техногенеза различного профиля в процессе сооружения и эксплуатации глубоких скважин определяются сочетанием взаимодействия техногенных и природных объектов в верхних частях литосферы (В.Т. Трофимов).
В инженерно-геологических условиях юго-западной части Прикаспийской впадины при комплексных исследованиях природных и техногенных инженерно-геологических процессов обязательным является изучение и внедрение основных технологий производственных циклов, рациональное размещения в геологическом пространстве источников техногенного воздействия на подземную среду и исследования их влияния на безопасность объектов и сооружений. При строительстве и эксплуатации глубоких скважин в результате проявления техногенеза происходят эволюционные изменения состояния и свойств массивов горных пород.
Оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды, масштабов инженерно-геологических процессов и степени негативного влияния на природную и техническую подсистему, позволяют определять, насколько долговечным и техногенно безопасным являются глубокие скважины.
Современные геодинамические процессы при разработке Астраханского ГКМ
Астраханский свод можно отнести к зоне геодинамического риска вследствие высокой концентрации объектов техногенного риска и длительного срока эксплуатации месторождения минерального сырья. Проблемы геодинамического и механического характера в последние годы возникли в связи с разработкой гигантского газоконденсатного месторождения (АГКМ). Месторождение находится в эксплуатации 25 лет и имеет недостаточно развитую систему геодинамических наблюдений. Система наблюдений Астраханского газоконденсатного месторождения уже выявила многочисленные повреждения скважин (нарушение целостности, смятие и искривление обсадных колонн, фрагменторное отсутствие цемента за колоннами, просадка технических сооружений с наклоном фонтанных арматур (до 7-10 - скв. 55 А), нарушения газогидродинамического режима эксплуатации месторождения (неравномерное падение пластового давления, изменение уровня грунтовых вод, интенсивное проявление инженерно-геологических процессов).
Уточнение механизма техногенной сейсмоактивное Астраханского газового комплекса является одной из важнейших геомеханических и геодинамических задач, стоящих перед специалистами.
При освоении месторождений УВ, в том числе при длительной эксплуатации АГКМ, практически неизбежно нарушение равновесия природной среды. К факторам, создающим условия для возникновения аномальных геодинамических явлений на АГКМ, следует отнести существенную гетерогенность геологической среды, наличие соленосной толщи с резко меняющейся толщиной и маломощными терригенными пропластками, нестабильный газогидродинамический режим пластовых систем, резкую вертикальную дифференциацию массива пород по гидродинамическим параметрам. Следует учитывать инженерно-геологические условия соленосных отложений, представленные диапировыми куполами со сложной морфологией и существенной латеральной и вертикальной изменчивостью литологического состава.
Существует ряд публикаций и защищена диссертация на тему «Инженерно-геологические особенности соляных массивов и их влияние на процесс освоения недр юго-западной части прикаспийской впадины» Ушивцевой Л.Ф. Были выявлены механизмы и причины куполообразования, закономерности пространственного размещения, их химический состав, физико-механические свойства, внутреннее строение. Установлен генезис солей и рассолов кунгурской толщи. Эти инженерно-геологические особенности определили локальную динамику неотектонических процессов и сформировали неоднородное напряженно-деформационное состояние верхних частей литосферы [67]. При разработке АГКМ следует ожидать активизацию техногенных процессов вследствие изменения локальных полей напряжений и соответственно возникновения аномальных геодинамических явлений, таких как оседания и сдвиги земной поверхности, динамические проявления напряженно-деформационного состояния горного массива, изменения режима грунтовых вод. Значительных площадных оседаний ожидать не приходится, ввиду незначительной толщины карбонатного продуктивного горизонта. В следствие такого мнения комплексные геодинамические исследования развиваются медленно.
Система геодинамического мониторинга на АГКМ объединяет несколько направлений: 1. Геолого-математическое моделирование процессов сдвижения массива пород при разработке; 2. Прогноз возможности возникновения и формирования техногенных землетрясений при разработке АГКМ и определение возможных магнитуд сейсмических событий; 3. Разработка геодинамического полигона на территории АГКМ и обоснование точности и методики инструментальных наблюдений за изменением земной поверхности [69].
К расчетам напряженно-деформационного состояния массивов горных пород были привлечены специалисты и ученые Пермского университета, под руководством профессора Ю.А. Кашникова. Исходными данными для расчета напряженно-деформационного состояния массива горных пород являются инженерно-геологические и структурно-тектонические особенности массива, физико-механические свойства вмещающих пород и пород-коллекторов, параметры их естественного напряженного состояния. На первом этапе исследований были определены физико-механические свойства продуктивного карбонатного коллектора. Сравнение полученных данных с данными аналогичного месторождения Лак (Франция), характеризующегося высокой техногенной геодинамической активностью, свидетельствует об их существенном сходстве.
Следующий этап - разработка объемной конечно-элементной модели месторождения. Для составления расчетной схемы были учтены укрупненные элементы массива горных пород, отличающиеся по инженерно-геологическим свойствам. Это подстилающие породы, продуктивный башкирский пласт, соляные породы кунгурского яруса и толща покрывающих пород. Разработанная в программном комплексе «ANSYS» конечно-элементная модель АГКМ с результатами оседания земной поверхности на 2010 год установила приуроченность зоны максимума оседаний земной поверхности к максимуму падения пластового давления. Специальные исследования показали, что коллектор деформируется преимущественно в рамках упругой модели. В последующем обязательно потребуется учет пластических (необратимых) деформаций [32].
Результаты первичных исследований состояния территории АГКМ (Маврычев Г.В., Постнов А.В. и др.) позволили определить степень техногенной опасности для глубоких скважин и всего комплекса. Вертикальное оседание дневной поверхности на 200 мм к 2010 году при латеральных размерах мульды сдвижения в десятки километров не может создать катастрофических деформаций для подземных сооружений. Однако горизонтальные деформации и наклоны земной поверхности, приуроченные к местам палео-формирования структурных и литологических неоднородностей горного массива, вполне могут привести к искривлению конструкций скважин и поверхностных инженерных сооружений [63].
Проблемами геодинамической активности верхних слоев литосферы Астраханского месторождения занимается лаборатория мониторинга состояния недр (Постнов А.В., Ширягин О.А., Рамеева Д.Р. и др.). Геодинамический полигон представляет систему профильных линий реперов для нивелирования, приуроченных к прогнозной зоне максимальной просадочности, и систему пунктов для производства GPS наблюдений. Точность этих наблюдений показывает, что погрешности определения сдвижений в горизонтальной плоскости составляет ±8-10 мм, а в вертикальной плоскости ±12-15 мм.
На АГКМ не исключены случаи сейсмических аномалий при извлечении флюидов из карбонатного коллектора. Механизмов подобных явлений может быть несколько: диффузия напряжений, возбуждающих сейсмические события; локальная реакция типа гидроразрыва на закачивание жидкости; регрессивное восстановление равновесия регионального масштаба, связанное с перемещением жидкости и активизацией зон тектонических нарушений [67].
Продуктивные резервуары, особенности пород-коллекторов и флюидоупоров Астраханского месторождения
Инженерно-геологическая характеристика горных пород является совокупностью их литолого-физических параметров, а так же их изменения в пространстве. Это выражается в смене литологических особенностей пород, цикличности и ритмичности пластов во внутриформационных перерывах, чередовании пород, обладающих различными фильтрационно-емкостными свойствами коллекторов и флюидоупорными свойствами, тектонической и седиментационной трещиноватости.
Породу-коллектор необходимо рассматривать как единый объект и единую гидродинамическую систему, обладающую едиными фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС) и петрофизическими параметрами.
Для карбонатных коллекторов в массиве горных пород Астраханского свода, имеющих низкие ФЕС, применима петрофизическая модель. Такая модель характеризуется системой соотношений физических параметров коллекторов ФЕС, учитывающих литолого-структурные особенности карбонатных пород и характер насыщения пустотного пространства. Петрофизическая модель используется в качестве основы для интерпретации промыслово-геофизических материалов при выделении коллекторов и оценки их параметров, также для обоснования качества коллекторов и их параметров, необходимых для подсчета запасов (эффективных нефтегазоносных толщин, общей пористости и ее структурных составляющих, коэффициента нефтегазонасыщенности, положения межфлюидных контактов и др.) [97].
Основные перспективные объекты девонских отложений следует приурочить к терригенным и терригенно-карбонатным коллекторам среднего девона, карбонатным коллекторам верхнефранско-фаменских и визейско-серпуховских отложениям. Непроницаемыми флюидоупорными покрышками являются глинистые толщи внутри массива горных пород, либо очень плотные известняки и доломиты, как это отмечалось на скважине Володарской 2.
Для терригеппых объектов - коллекторов характерны сообщающиеся пустоты и трещины, через которые происходит фильтрация флюида. Форма, размеры, отсортированность зерен и тип цементирующего вещества влияют на пористость и проницаемость. В случае небольших изменений процентного соотношения песчаных и глинистых фракций происходит существенное изменение ФЕС.
Инженерно-геологические свойства терригенных коллекторов подсо-левого массива пород Астраханского свода можем охарактеризовать тремя типами сообщающихся пустот: 1. поровые пустоты и поровые пережимы межзернового пространства. 2. полосовидные участки трещиноватости (маломощные слабоглинистые высокопроницаемые пропластки). 3. фильтрационные «тоннели», обладающие аномально высокими значениями.
Перспективные отложения подсолевого массива контролируются региональными сульфатно-галогенными покрышками, однако одновременно в разрезе существует ряд внутренних локальных покрышек, в свою очередь которые являются локальными флюидоупорами и литологически представлены глинисто-аргиллитовыми и плотно карбонатными разностями.
Как известно, параметрическая скважина Девонская 2 пробурена до глубины 7003 м в присводовой части Астраханского поднятия. На сегодняшний день это единственная скважина в районе исследуемых работ, вскрывшая эмсский ярус (Die), толщина отложений которого составляет 230 м. Литологически комплекс пород представлен терригенными разностями, в основном, песчаником пористостью до 15 %.
Перспективный объект эйфельского возраста (D2 ej) вскрыт на глубине 6580 м, толщина его отложений 150 м. Массив представлен терригенными породами с прослоями терригенно-карбонатных разностей. Распространение коллекторов на рисунке 3.
Пористость пород составляет 27 %, нефтегазонасыщенность 86%. Верхняя часть яруса представлена карбонатными отложениями. Пористость по данным ГИС достигает 20 %, нефтегазоносность 67-80 %. В таблице 2.4.1 приведены инженерно-геологические особенности пород-коллекторов и покрышек Астраханского свода.
Взаимодействие геологической среды и скважины
Скорость коррозии стали под воздействием агрессивного флюида при интенсивной конденсации жидкости на ее поверхности примерно в 10 раз выше скорости коррозии в потоке добываемой нефти и равна примерно 0,5-0,8 мм/год. Применение оптимальных ингибиторов коррозии и новейших технологий ингибиторной защиты технических систем уменьшает скорость коррозии до 0,3-0,5 мм/год [49, 99]. Таким образом, приблизительно через 25-30 лет металл подземных конструкций будет разрушен и в виде ионов перейдет в подземные воды.
Долговечность и техногенная безопасность скважин зависит от спущенных обсадных колонн (марка стали, толщина стенки), качества цементирования, технологических процессов, горно-геологических условий сооружения, состава пластового флюида, пластической текучести солей и глинистых пород, наличия цемента за колоннами и др.
Качественное цементирование затрубного пространства является одной из гарантий защищенности подземных конструкций от коррозии минерализованных вод и от развития негативных флюидодинамических и инженерно-геологических процессов.
Подземные сооружения и цемент за колоннами по истечении определенного временем разрушатся и превратятся в открытые каналы, сообщающие продуктивную залежь с вышезалегающими проницаемыми пластами и дневной поверхностью, что повлечет за собой катастрофу. На Астраханском месторождении подобная катастрофическая ситуация образования открытых каналов может сложиться в мульдах массивов горных пород, где соляная региональная покрышка практически отсутствует. Соляные купола толщиной до 3000 м максимально предотвратят возникновение открытого техногенного канала в литосфере в силу того, что соли обладают плотной массивной текстурой и со временем при повышенных давлениях и температурах становятся пластичными и перекроют открытые каналы, изолируя продуктивную залежь.
Разрушению обсадных колонн и цементного камня за колонной способствуют перфорация, соляно-кислотные обработки, гидроразрывы пласта, высокие депрессии на пласт при добыче, образование заколонных перетоков и др. В процессе эксплуатации наземное и подземное оборудование подвергается разрушению под воздействием агрессивных компонентов подземной среды и добываемой продукции.
По материалам исследований технического состояния конструкций скважин на АГКМ можно сделать следующие выводы: 1. Применяемая конструкция, наличие сероводородоустойчивого цемента за колоннами, система ингибирования скважин обеспечивает безотказную эксплуатацию скважин в среднем на 8 лет. 2. Сроки безотказного функционирования можно продлить, для чего необходимы комплексные мониторинговые исследования конструкций скважин, находящихся в эксплуатации более 6 лет и применение новейших технологий. 3. Техническое состояние оборудования устья скважин и фонтанных арматур соответствует условиям эксплуатации. На этапах строительства, освоения и эксплуатации скважин возникают межколонные давления (МКД). Основным условием возникновения МКД является наличие источника давления и наличие гидростатической связи источника с устьем.
Основными причинами проникновения флюида в межколонное пространство скважин являются: негерметичность эксплуатационной колонны или промежуточных обсадных колонн, частичное или полное отсутствие цементного кольца, наличие перетоков по заколонному пространству.
Напорными источниками Астраханского месторождения являются: среднедевонские отложения, продуктивный башкирский ярус, нефтегазона-сыщенные пласты филипповской толщи, рапоносные сул ьфатно-терри генные пропластки иреньской толщи, газонефтенасыщенные отложения триаса, га-зоводонасыщенные отложения неоген-четвертичные (хвалы но-хазарский и бакинский горизонты), рисунок 11. Скважинам Астраханского месторождения присущ, как правило, газовый, газожидкостный и жидкостный поликомпонентный состав межколонного флюида.
Масштабы флюидопроявлений и объемы перетоков зависят от величины пластового давления, качества цементирования обсадных колонн, времени воздействия на литосферу и других геологических и технических факторов. На основании мониторинговых исследований в районе АГКМ появилась возможность проследить за какой промежуток времени в скважинах появляются межколонные давления в эксплуатационной и промежуточных колоннах и их предельно допустимые значения. Состояние межколонного пространства (эксплуатационная и вторая промежуточная колонна) отражено в таблице 3.4.1
Критерии перераспределения напряженного состояния массивов горных пород
Процесс сооружения и эксплуатации скважин оказывает воздействие на массивы горных пород и приводит к нарушению естественного поля напряжений (первичного поля) и последующему закономерному его перераспределению. В условиях выбуривания керна пород и подъема его на поверхность происходит разгрузка напряжений и разуплотнение горных пород, при этом возникают микротрещины. Техногенная нагрузка на стенки скважины создается путем воздействия статических нагрузок, знакопеременных нагрузок (нестационарные гидромеханические процессы), которые вызывают разрушение массивов горных пород. Вращающееся долото приводит к истиранию горной породы, механическое перемещение бурильной колонны и физико-химическое взаимодействие массива горных пород с буровым раствором приводит к разупрочнению массивов горных пород и формированию дополнительного напряженного состояния (набухание глинистых пород). Равновесное состояние ствола скважины является следствием взаимопротивопо-ложно направленных процессов: механического разрушения, размыва, рас творения, пластического течения, выпучивания. Добывающие скважины оказывают дополнительное воздействие на поле напряжений.
На локальные изменения напряженного состояния массивов горных пород в условиях сооружения скважин оказывают влияние инженерно-геологические условия, отличающиеся, прежде всего: неоднородностью литолого-петрографических характеристик слои стых сред по разрезу скважины и толщиной пластов; перемятостью горных пород в зонах дизъюнктивных дислокаций, что приводит породу в квазисыпучее состояние; структурой, текстурой, углом падения пластов; наличием тектонических напряжений, что нарушает взаимосвязь главных напряжений в массиве горных пород; проницаемостью, которая переводит давление в скважине из сосредоточенного, воздействующего на стенки скважины, в давление фильтрующейся в общем случае через глинистую корку жидкости; физико-химическими процессами взаимодействия горной породы и насыщающими их флюидами с буровым раствором после его проникновения в стенки скважины, или наоборот. Все перечисленные факторы, как правило, нарушают устойчивость и профилактику целостности стенок скважины.
Инженерно-геологические условия в зонах разлома характеризуются перемятыми породами, их кусками и частицами, не имеющими заметной механической связи, т.е. сцепление таких пород очень мало и предотвратить их осыпание в скважинах затруднительно. Чем мельче и однороднее частицы, тем с большим успехом глинистая корка задерживает их осыпание в скважину. Спуски-подъемы инструмента, особенно при наличии искривления скважины, также уменьшают напряженное состояние стенок скважин.
Тектонические напряжения развиваются в зонах со сложной тектоникой, т.е. за пределами платформенных областей, в которых подвижки земной коры продолжаются и в настоящее время, а релаксационные процессы выра жены слабо. В отдельных интервалах такого геологического разреза горизонтальное напряжение сжатия может заметно превышать вертикальное.
Проницаемые, в основном, гранулярные породы на давление в скважине реагируют иначе. В результате репрессии на стенках скважины образуется фильтрационная (глинистая) корка, проницаемость которой в несколько раз меньше проницаемости самой слабой породы. Только перепад давлений на корке образует давление, а сама корка в прискважинной зоне придает дополнительную прочность сыпучей горной породе. Перепад давления, распределяясь по закону фильтрации в радиальном направлении, уменьшает межзерновое напряжение в массиве горных пород от действия горного давления. Поскольку регламентируемая репрессия в технологических процессах бурения невелика в сравнении с горным давлением, то влиянием ее на изменение межзернового напряжения можно пренебречь. В этой связи благоприятное действие давления в скважине на напряженное состояние и целостность стенок скважины возрастает при уменьшении проницаемости фильтрационной корки.
При разработке нефтяных и газовых месторождений с изменением напряженного состояния массивов горных пород деформируется и присква-жинная зона пластов вследствие смыкания пор и трещин. Деформированная горным давлением при высоких депрессиях, собственная матрица породы после уменьшения перепада давлений не возвращается в прежнее состояние, а сохраняет определенную остаточную деформацию.
Интенсивное освоение месторождений активизируют геодинамические процессы в различных частях в зависимости от масштабов тектонических нарушений. Зоны тектонических нарушений являются концентраторами напряженно-деформационного состояния массивов горных пород. В следствие чего наблюдаются деформации технических подсистем, наземных сооружений, транспортных сетей, искривление трасс линейных сооружений и пр. нередко связаны с медленными тектоническими смещениями, называемыми «тектонической ползучестью». Аномальные зоны, интерпретируемые как разнопорядковые разрывные нарушения, характеризуются разнообразием амплитуд смещений, которые представляют опасность для конструкций Астраханского газоконденсатного месторождения.
Широко распространенный на Астраханском своде соляной тектогенез сопровождается большим количеством тектонических нарушений. Результаты бурения в пределах Астраханского свода и других областях Прикаспийской впадины подтверждают, что соляные купола большей частью располагаются над подсолевыми поднятиями, либо над структурно осложненными участками [19].
В массивах горных пород наибольший интерес представляют нарушения, характеризующиеся аномальными зонами с изменяющимся литологиче-ским составом и емкостными характеристиками массива пород. В подавляющем большинстве случаев даже незначительные неровности палеорелье-фа, с небольшими (единицы метров) амплитудами смещений, представлены распространением разно фациальных осадков. В настоящее время подобные инженерно-геологические условия залегания приобретают особый интерес как для определения напряженного состояния пород литосферы, так и места заложения скважин с целью достижения максимальной продуктивности при минимальном риске аварийных ситуаций по геологическим и геодинамическим факторам.
