Geum.ru

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

Вид материалаАвтореферат
Рис.15. Расчетные и замеренные оседания на Уренгойском месторождении
Прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива на Астраханском газоконденсатном месторождении
Анализ влияния добычи нефти на безопасность разработки Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей
Подобный материал:
1   2   3   4

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.

Р
ис. 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 Пам.

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.

4. Применение модифицированной шатровой модели для расчета деформаций коллекторов обеспечивает представительные результаты для большого разнообразия горно-геологических условий и физико-механических свойств продуктивных пород. Произведено внедрение данной модели в конечно-элементный пакет “ANSYS”. Численные расчеты модельных задач показали, что в центральной части нефтяных и газовых месторождений выполняются условия одномерного уплотнения, т.е. прирост эффективных горизонтальных напряжений соответствует теоретическому значению коэффициента бокового давления. В краевой части продуктивных пластов девиаторная часть тензора эффективных напряжений при падении пластового давления растет интенсивнее, чем в режиме одномерного уплотнения, однако при этом предельное состояние не достигается и коллектора также деформируются в режиме уплотнения.

Для ряда месторождений Западной Сибири, УНГКМ, АГКМ и региона ВКМКС по результатам компрессионных испытаний определены параметры «шатровой» модели, которые могут быть использованы для расчетов НДС продуктивных объектов данных месторождений.

5. Рассмотрен общий характер деформаций, возникающих на контактах блоковых структур горного массива при добыче нефти и газа. Показано, что наибольшую опасность могут представлять узкие, линейно вытянутые зоны ослабления, заполненные сильно дислоцированными ослабленными породами.

6. Разработана и реализована численная модель оценки интенсивности техногенных сейсмических явлений при добыче нефти и газа, основанная на использовании специальной модели горных пород с учетом полной диаграммы деформирования по плоскостям раздела. На модельных задачах показано, что 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.

7. Выполнены оценочные расчеты магнитуд возможных сейсмических событий при отработке Уньвинского нефтяного месторождения. Результаты показывают возможность активизации разломных структур при операциях нагнетания флюида для поддержания пластового давления. Расчетные значения магнитуд не превышают 1.0-1.5, что является предельно возможной величиной для рассмотренных условий. Сейсмические события подобной интенсивности не оказывают заметного влияния на поверхностные, подземные объекты и геологическую среду региона месторождения.

Анализ возможности сейсмических событий при отработке Астраханского газоконденсатного месторождения показывает прогнозные значения магнитуд до 2,5 единиц. Возможность сейсмических событий с такими количествами выделяющейся энергии требует организации сейсмологического мониторинга отработки месторождения.

8. Основные результаты работы были использованы для обоснования мер охраны подрабатываемых объектов и создания геодинамических полигонов 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».


Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:


1. Кашников Ю.А., Якушина Е.М., Ашихмин С.Г. Деформирование скального массива по системам трещин // Известия ВУЗов. Горный журнал. – 1992. – № 3. – С.75-80.

2. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Численная модель для расчета сдвижений горных пород при добыче нефти. – В кн.: Проблемы механики горных пород. –Санкт-Петербург. – 1997. – С.193-198.

3. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Замотин В.Б., Ашихмин В.Н. Геодинамические полигоны, сдвижение горных пород и техногенные землетрясения при разработке нефтяных месторождений. – В кн.: Проблемы геодинамической безопасности. – Санкт-Петербург. – 1997. – С.245-247.

4. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Расчет сдвижений горных пород при разработке нефтяных месторождений. Часть 1. Численная модель деформирования нефтяного коллектора // Маркшейдерский вестник. – 1998. – № 1. – С.44-46.

5. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Селезнев Е.А. Расчет сдвижений горных пород при разработке нефтяных месторождений. Часть 2. Расчет НДС горного массива при отработке в режиме упругой энергии // Маркшейдерский вестник. – 1998. – № 2. – С.33-35.

6. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом режиме на изменение НДС горного массива. Часть 1. Анализ инструментальных наблюдений. Модель деформирования нефтяного коллектора под нагрузкой // Физико-техни-ческие проблемы разработки полезных ископаемых. – 1998. – № 5. – С.71-80.

7. Ашихмин С.Г., Кашников Ю.А. Влияние количества рядов добывающих скважин на оседания земной поверхности на конечной стадии упругого водонапорного режима // Известия ВУЗов. Нефть и газ. – 1998. – № 6. – С.26-31.

8. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом режиме на изменение НДС горного массива. Часть 2. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1999. – № 3. – С.51-57.

9. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Моделирование возникновения техногенных сейсмических явлений при добыче углеводородного сырья // Маркшейдерский вестник. – 1999. – № 1. – С.21-25.

10. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Катошин А.Ф., Селезнев Е.А. Изменение НДС горного массива при добыче нефти в упругом режиме // Нефтяное хозяйство. – 1999. – № 8. – С.30-33.

11. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Оценка техногенной сейсмической опасности при отработке нефтяного месторождения. // Геодинамика и напряженное состояние недр земли. – Новосибирск. – 1999. – С.402-408.

12. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Катошин А.Ф. Изменение геодинамической обстановки при разработке нефтяного месторождения // Нефтяное хозяйство. – 2000. – № 6. – С.28-32.

13. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти на изменение НДС горного массива. Часть 3. Техногенная активизация разломных структур // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2000. – № 3. – С.54-63.

14. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Калугин А.В. Комплексная оценка геодинамической безопасности при разработке месторождений углеводородного сырья // Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Геоэкология и современная геодинамика нефтегазоносных регионов». – Москва. – 2000. – С.143.

15. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Одинцов С.Л., Постнов А.В., Рожков В.Н. Численное моделирование и контроль геомеханических процессов при отработке АГКМ // Тезисы докладов международной конференции «Проблемы добычи и переработки нефти и газа в перспективе международного сотрудничества ученых Каспийского региона». – Астрахань. – 2000. – С.18-19.

16. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гуляев Н.Ю., Гришко С.В. Геомеханический анализ и геодезический мониторинг деформационных процессов при добыче углеводородов // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Природные резервуары углеводородов и их деформации в процессе разработки нефтяных месторождений». – Казань. – 2000. – С.61-62.

17. Ашихмин С.Г. Численная модель для прогноза напряженно-деформированного состояния массива рыхлых и скальных пород // Известия ВУЗов. Горный журнал. – 2000. – № 4. – С.52-57.

18. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Калугин А.В. Геомеханические и геодинамические аспекты разработки месторождений углеводородов Западной Сибири. – В кн.: «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении». – Санкт-Петербург. – 2001. – С.71-78.

19. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Гладышев С.В., Саврасов И.Ф., Одинцов С.Л., Постнов А.В. Предварительный прогноз и контроль геодинамических процессов при разработке АГКМ. – В кн.: «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении». – Санкт-Петербург. – 2001. – С.79-86.

20. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Одинцов С.Л., Постнов А.В. Техногенные геодинамические процессы при разработке АГКМ // Газовая промышленность. – 2002. – № 1. – С.81-83.

21. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Назаров А.Ю., Кашников О.Ю., Терентьев Б.В. Экспериментальные исследования влияния пластового давления на фильтрационно-емкостные характеристики терригенных коллекторов месторождений севера Пермского края // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2007. – № 1. – С.41-50.

22. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. – М.: Недра, 2007. – 486 с.

23. Ашихмин С.Г., Кашников Ю.А., Киселевский Е.В., Одинцов С.Л., Гетманов И.В., Калугин А.В. Прогноз и мониторинг оседаний земной поверхности при разработке газоконденсатных месторождений России // Труды XIII Международного конгресса по маркшейдерскому делу. – Будапешт, 2007.

24. Ашихмин С.Г. Прогноз параметров уплотнения коллекторов и деформаций горного массива при разработке месторождений углеводородов // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2007. – № 10. – С.40-43.

25. Ашихмин С.Г. Исследование компрессионных свойств коллекторов Шершневского нефтяного месторождения // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2007. – № 10. – С.43-45.

26. Ашихмин С.Г. Особенности методов прогноза напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке месторождений углеводородов // Маркшейдерия и недропользование. – 2008. – № 2. – С.38-41.

27. Ашихмин С.Г. Влияние различных факторов на напряженно-деформированное состояние горных массивов при разработке месторождений нефти и газа // Известия ВУЗов. Горный журнал. – 2008. – № 4.