Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

параметр х - от 50 до 1500. Результаты численного эксперимента представлены в виде зависимости максимального оседания зем­ ной поверхности от перечисленных факторов на рис. 3.5.3. Расче­ ты подтверждают, что величины оседаний в данном случае зави­ сят прежде всего от модуля упругости коллектора, причем это влияние наиболее выражено в интервале до 5000 МПа. Затем происходит стабилизация оседаний, и дальнейшее увеличение модуля упругости на их величине уже практически не сказывает­ ся (см. рис. 3.5.3, а).

а

Модуль упругости коллектора, М Па

Модуль упругости вмещающих пород, М Па

Рис. 3.5.3. Влияние параметра упрочнения коллектора (а) и модуля упругости вмещающих пород (о) на оседания земной поверхности при отработке пласта

ВСЮ Усть-Балыкского месторождения:

Также подтверждается, что модуль упругости вмещающих по­ род слабо влияет на оседания земной поверхности во всем диа­ пазоне рассмотренных величин (500 до 5000 МПа) и в различ­ ных комбинациях с модулем упругости коллектора (см. рис. 3.5.3, б). Некоторое увеличение оседаний происходит лишь при модуле упругости вмещающих пород менее 500 МПа, т.е. при весьма слабых вмещающих породах. Таким образом, оседания, в конечном, счете, определяются величиной уплотнения коллекто­ ра, которая при прочих равных условиях зависит от его упругих и компрессионных параметров.

Как и следовало ожидать, при уменьшении параметра % осе­ дания увеличиваются (см. рис. 3.5.3, а). В рассмотренном приме­ ре выраженный рост оседаний начинается при х < 100. Однако при значениях %, характерных для месторождений Западной Си­ бири (х > 200), зависимость оседаний от параметра упрочнения весьма слабая, что является следствием сравнительно низких компрессионных свойств.

Таким образом, для рассмотренных типичных условий можно ориентироваться на табличные значения физико-механических свойств вмещающих пород, так как они не оказывают сущест­ венного влияния на результаты прогноза. Это же относится к характерным значениям параметра упрочнения х• Основное вни­ мание следует уделять обоснованию упругих свойств коллекто­ ров, как описано в разделе 1.3.

Расчеты оседаний земной поверхности при условии падения пластового давления на 3-5 МПа были выполнены для целого ряда нефтяных месторождений Западной Сибири, краткие сведе­ ния о некоторых из них приведены в табл. 3.5.2.

Таблица 3.5.2

Результаты прогноза оседаний для ряда нефтяных месторождений

Расчетные оседания получены для падения исходного пласто­ вого давления 3-5 МПа, что в среднем характерно для месторо­ ждений Западной Сибири. На отдельных участках может встре­ чаться и большее падение давления, но оно, как правило, дейст­ вует непродолжительное время, поскольку месторождения разра­ батываются с поддержанием пластового давления. Величины осе­ даний зависят от мощности продуктивных слоев, а также от глубины их залегания, так как от глубины зависит модуль упру­ гости коллектора. В целом расчетные оседания поверхности весьма невелики - до 360 мм. Оседания подобной величины, распределенные на огромной площади месторождений, не могут оказать заметного влияния на состояние промышленных и граж­ данских сооружений и объектов инфраструктуры нефтепромы­ слов. В то же время полученные величины оседаний характери­ зуют средние, типичные условия отработки (средние компресси­ онные свойства, типичное падение давления и т.д.). Естественно, что в реальных условиях возможны некоторые колебания этих параметров в определенных пределах. Поэтому была выполнена оценка возможных колебаний наиболее важных факторов на па­ раметры процесса сдвижения.

Оседания земной поверхности увеличиваются с ростом паде­ ния пластового давления. Хотя для систем разработки с заводне­ нием большое падение давления не характерно, на примере УстьБалыкского месторождения было рассмотрено снижение давле­ ния в коллекторах БС1-5 и БС10 от 2 до 8 МПа. В этом случае происходит рост оседаний от 75 до 220 мм. Из данных расчетов следует, что для предотвращения существенных оседаний земной поверхности не следует допускать значительного снижения на­ чального пластового давления в разрабатываемых нефтяных пла­ стах. В этом смысле отработка месторождений системами с под­ держанием пластового давления является положительным фак­ тором в плане предотвращения больших оседаний поверхности.

Следующий фактор, который оказывает существенное влия­ ние на параметры деформирования массива - это упругие и прочностные свойства коллектора. Продуктивный коллектор представлен чаще всего неравномерным распределением упругих и прочностных свойств. Естественно, что деформирование участ­ ков коллектора с различными свойствами будет происходить по разному, соответственно могут возникать, особенно непосредст­ венно на уровне коллектора, участки массива с повышенными оседаниями. В мировой литературе известно немало ситуаций, когда значительные просадки горного массива приводили, на­ пример, к нарушениям нефтяных скважин [26]. Выявить подоб­ ные участки горного массива довольно затруднительно. Они оп­

ределяются либо густой сетью нивелирования поверхностных реперов, либо подробными геомеханическими расчетами дефор­ мирования коллектора. При этом естественным предполагается знание участков пониженной прочности.

На рис. 3.5.4 представлена идеализированная схема пласта БС1-5 Усть-Балыкского месторождения, на которой выделены участки пониженной прочности шириной 400 м, модуль упруго­ сти которых составляет 120 МПа. Модуль упругости основного массива составляет 1200 МПа. Такая постановка задачи, несмот­ ря на ее условность, позволяет оценить влияние неоднородностей строения коллектора на развитие процессов деформирования массива. Выполненные расчеты, как и ожидалось, показывают крайне неравномерные оседания на уровне кровли коллектора (см. рис. 3.5.4). Однако с удалением от коллектора неравномер­ ность сдвижений быстро затухает. На земной поверхности не­ равномерность оседаний отсутствует, однако их величина состав­ ляет 540 мм, т.е. примерно в 3 раза превышает значения, соот­ ветствующие модулю упругости коллектора 1200 МПа.

Данные расчеты показывают, что наличие слабых, низкомо­ дульных участков в продуктивном коллекторе приводит к замет­ ному росту оседаний, но не искажает плавности мульды сдвиже­ ния на земной поверхности. Искажение плавного характера мульды сдвижения может быть вызвано различного рода струк­ турными неоднородностями на уровне всего массива горных пород.

Таким образом, при отработке месторождений системами с поддержанием пластового давления максимальные оседания по­ верхности не превышают 100-150 мм, иногда при большой мощ­ ности продуктивных объектов - 300-350 мм. Этот вывод под­ тверждается имеющимся опытом инструментальных наблюдений на Усть-Балыкском геодинамическом полигоне. Опыт изучения влияния процессов сдвижения горных пород на состояние под­ рабатываемых сооружений свидетельствует о том, что оседания подобной величины, равномерно распределенные на огромной площади месторождений, не могут нарушить нормальной экс­ плуатации промышленных, гражданских сооружений и объектов инфраструктуры нефтепромыслов [1, 6, 19, 31]. Неоднородность строения продуктивных коллекторов вызывает неравномерную картину оседаний в прилегающем массиве, но не нарушает плав­ ности мульды сдвижения на земной поверхности. Потенциаль­ ную опасность могут представлять концентрации деформаций на земной поверхности, вызванные различного рода структурными неоднородностями горного массива, или так называемые суперин­ тенсивные деформации (В.А. Сидоров, Ю.О. Кузьмин). Этот во-

прос относительно подробно рассматривается в следующих раз­ делах.

Тем не менее, наличие на месторождениях высотной граждан­ ской застройки, высокотехнологичного, требующего высокой сте­ пени промышленной безопасности, оборудования требует органи­ зации в районе этих объектов инструментальных наблюдений, контролирующих развитие деформационных процессов вследст­ вие отработки месторождений.

Прогноз оседаний земной поверхности при разработке Памятно-Сасовского месторождения

Месторождения нефти Западной Сибири представлены, как правило, продуктивными объектами площадного типа, отработка которых формирует огромную мульду сдвижения, охватывающую по площади несколько сотен квадратных километров. Рассмот­ рим развитие оседаний при отработке Памятно-Сасовского ме­ сторождения, которое представлено сравнительно локальным продуктивным объектом значительной эффективной нефтенасы­ щенной толщины.

Памятно-Сасовское месторождение находится в 310 км к северу от г. Волгограда в восточной части Жирновского района Волгоградской области. Месторождение открыто в 1990 г., в этом же году начата пробная эксплуатация. Вокруг месторожде­ ния расположено множество населенных пунктов - села Алешники, Памятное, Верхняя Добринка, Вишневое, Тетеревятка, имеется асфальтированная дорога, которая соединяет месторож­ дение с г. Жирновск. Прогноз оседаний земной поверхности имел своей целью оценить степень влияния добычи нефти на эти объекты.

В районе месторождения на архей-протерозойском гранитогнейсовом фундаменте залегает толща осадочных отложений об­ щей мощностью 4400-5000 м в составе девонской, каменноуголь­ ной, пермской, юрской и меловой систем. В тектоническом от­ ношении месторождение находится в пределах УметовскоЛиневской депрессии Иловлинско-Медведицкого прогиба. За­ лежь нефти приурочена к рифогенным отложениям евлановсколивенского горизонта (франский ярус верхнего девона). Ловушка и залежь массивного (рифового) типа. Органогенная постройка представляет собой плосковершинный барьерный риф.

По сейсмическим данным границы рифового массива достаточ­ но четкие, склоны крутые (от 25 до 65°), вершина сравнительно широкая и плоская (по изогипсе минус 2350 м). Установлено асимметричное строение рифового массива, которое характерц3у-

ется наличием крутого внешнего и более пологого внутреннего склонов, приуроченных к границе смены литофаций: глубоко­ водных открытого шельфа (юго-восточный склон) и относитель­ но глубоководных внутреннего шельфа (северо-западный).

Залежь нефти узкая (0,6-1,2 км), протяженная (16,3 км), средняя глубина залегания кровли коллекторов 2688 м, с боль­ шим этажом нефтеносности (262 м). Средняя нефтенасыщенная толщина 152 м. Средняя пористость 7,4 %, проницаемость 0,11 мкм2. Исходное пластовое давление 28 МПа, пластовая тем­ пература 78 °С. Покрышкой является известково-мергельно- аргиллитовая толща задонско-елецкого возраста. Толщина по­ крышки от 20 до 100 м.

Для исследования физико-механических свойств коллекторов был запрошен и получен керн из продуктивной толщи в количе­ стве 61. Часть этих образцов была направлена на испытания прочностных и упругих характеристик (ГИ УрО РАН), другая часть для выполнения компрессионных испытаний (ООО «ПермНИПИнефть», установка УИК-1). Компрессионные испы­ тания стандартного образца выполнялись по следующей схеме: образец нагружался эффективным давлением 20 МПа, определя­ лась его пористость. Далее эффективное давление доводили до 40 МПа и выдерживали образец под нагрузкой в течение 5-7 ч с выполнением замеров в среднем через 2 ч. Один образец из семи был подвергнут более длительному испытанию, время выдержки под нагрузкой составило около 50 ч.

Среднее значение модуля упругости коллекторов ПамятноСасовского месторождения составило около 6300 МПа, коэффи­ циент Пуассона 0,3. Оценочное значение модуля упругости в массиве составляет «2500 МПа. Значение параметра упрочнения

0

s -50

5-юо

1-150 gэ -200

-250

Расстояние, км

Рис. 3.5.5. Прогнозные оседания земной поверхности на Памятно-Сасовском месторождении:

1 - Др - 5 МПа; 2 - Др - 7 МПа; 3 - Ар - 10 МПа

Геометрия Памятно-Сасовской залежи позволяет использо­ вать двухмерную конечно-элементную модель (плоская деформа­ ция). Однако при этом возникает неопределенность, связанная с неравномерным распределением нефтенасыщенных толщин по площади месторождения. В этой связи было выполнено два ва­ рианта расчета. В первом случае конечно-элементная модель строилась по разрезу, соответствующему максимальным значени­ ям нефтенасыщенных толщин. В этом случае максимальные осе­ дания поверхности при падении давления на 5, 7 и 10 МПа со­ ставили от 120 до 230 мм, расчетные мульды сдвижения показа­ ны на рис. 3.5.5.

Памятно-Сасовское месторождение разрабатывается сравни­ тельно недавно (с 1990 г.) и является весьма перспективным, так как по всей площади месторождения нефтяная залежь имеет зна­ чительную мощность. В связи с этим для Памятно-Сасовского месторождения был выполнен второй, более подробный вариант расчета.

Для этого была создана трехмерная конечно-элементная мо­ дель размерами 30x15 км и 5 км по глубине. Коллектор, постро­ енный по картам эффективных нефтенасыщенных толщин, рас­ полагается в центре модели (рис. 3.5.6). Распределение осталь­ ных пород геологического разреза и их физико-механических свойств аналогичны плоской конечно-элементной модели. Также в обоих случаях использована «шатровая» модель коллектора.

Расчетные изолинии оседаний поверхности при падении пла­ стового давления на 7 МПа показаны на рис. 3.5.6. Мульда сдвижения имеет вытянутую дугообразную форму, что соответ­ ствует форме коллектора. Максимальные оседания составляют 112 мм против 163 мм в варианте плоской конечно-элементной модели, т.е. меньше в 1,5 раза. Таким образом, в первом варианте расчеты выполнены с некоторым запасом надежности, так как использовались максимальные значения эффективных толщин коллектора.