Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1
.pdfРис. 4.1.2. Изменение напряжений на уровне нефтяных месторождений по сечению / / - / /
рующих, главным образом, структурно-фациальные неоднородно сти в осадочном чехле, приняты равными 75 % от модулей упру гости пород разреза.
Для проведения расчетов необходимо также знание исходного напряженного состояния окружающего породного массива. В на стоящее время нет достаточно подробных сведений по парамет рам напряженного состояния нетронутого массива района ВКМКС. Оценка величины тектонической составляющей для гидростатического поля напряжений при глубине разработки «300-350 м дает ее значение «3-5 МПа, то есть тектоническая составляющая, действующая в случае гидростатического тензора по всем горизонтальным направлениям, составляет «5 МПа. По этому в первом приближении для расчетов было принято изо тропное поле исходных напряжений с тектонической добавкой 5 МПа по обеим осям.
Некоторые результаты решения упругой задачи представлены на рис. 4.1.2, 4.1.3. На данных рисунках показано распределение
-5,6
напряжений на уровне калийной залежи и на уровне нефтяных месторождений. В целом распределение нормальных напряжений на глубинах калийной залежи весьма неравномерное и от участка к участку может изменяться в 2-3 раза. В зонах крупных разло мов наблюдается сильный прирост напряжений, действующих перпендикулярно зоне разлома, и их падение непосредственно перед разломом. Особенно сильное изменение горизонтальных напряжений наблюдается в районе верхних горизонтов Дуринского разлома. Интенсивность прироста напряжений определя ется мощностью нарушения и соотношением прочностных свойств. Некоторая концентрация касательных напряжений (до 1,0 МПа), действующих в плоскости калийной залежи, на блюдается непосредственно внутри Березниковско-Соликамского разлома и в местах сопряжений Дуринского и Красноуфимского разломов, но в целом количественная картина относительно ровная.
Интенсивность изменения напряжений на уровне нефтяных месторождений значительно ниже (см. рис. 4.1.2), хотя в местах разломов наблюдаются их колебания до 2-3 МПа относительно среднего уровня, что составляет 10-15 % для горизонтальных и 6-8 % для вертикальных напряжений. Касательные напряжения в районе Дуринского разлома, где расположены Чашкинское, Юрчукское и Вельское месторождения практически отсутствуют.
Приведенный пример показывает всю относительность задач расчета напряженно-деформированного состояния больших тер риторий. Отметим, что помимо неопределенности физико-меха нических свойств горных пород, слагающих разломные зоны или границы блоков, крайне неопределенным параметром является ширина контакта структуры. Очевидно, что она должна зависеть от масштаба блока, а именно: чем больше структурный блок, тем большую деформацию можно ожидать на его границах.
На крайнюю неопределенность ширины зон разломных струк тур для нефтегазовых месторождений Западной Сибири указы вает С.Т. Фомина [39]. Она отмечает, что удаленность аварии от места проекции глубинного разлома на поверхность может быть достаточно большой (до 10-15 км), что обусловлено демпфи рующими свойствами осадочного чехла, постепенной аккумуля цией напряжений в трубе. Совместный анализ расположения дефектов и расположения контактов разломных структур по трассе нефтепровода (см. раздел 4.3) свидетельствуют о ширине контакта в пределах 0,5—2,0 км.
4.2. АНОМАЛЬНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ. ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПОРОД НА КОНТАКТАХ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР
Заметные геодинамические процессы деформирования горных пород и земной поверхности должны характеризоваться некото рыми деформационными параметрами, и, прежде всего, аномаль ными деформационными параметрами. В последние годы в рабо тах В.А. Сидорова, Ю.О. Кузьмина, Н.А. Касьяновой и некото рых других исследователей делается большой упор на так назы ваемые, суперинтенсивные (СД) деформации земной поверхно сти, которые они выявили практически во всех регионах бывше го СССР, как сейсмичных, так и асейсмичных [20, 21, 35]. Выявление интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности приурочены к зонам разломов различного типа и порядка. «Эти аномальные
движения высокоамплитудны (50-70 мм/г), короткопериодичны (0,1-1 г), пространственно локализованы (0,1-1 км), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью. Среднего довые скорости для них чрезвычайно высоки и составляют вели чины порядка ( ( 2 - 7 ) 1 0 " 5) / г . Поэтому их следует определить как суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов» [21, стр. 29].
Типы локальных аномалий в вертикальных движениях земной
поверхности в зонах разломов обозначены авторами как S, |
Р и |
|||||
у-аномалии (табл. 4.2.1). |
При |
этом |
горизонтальные |
размеры |
||
L у-аномалий |
составляют |
0,1-2 |
км, |
S-аномалий - |
5-10 |
км, |
р-аномалий - |
10-30 км. Там же приведены соотношения между |
амплитудой Ah и протяженностью L для каждого типа аномалий, связанные через масштабный коэффициент т = 10~6 (если ам плитуда выражена в миллиметрах, то ширина аномалии - в ки лометрах). Последовательное рассмотрение пространственно-вре менной структуры современных деформационных процессов на региональном, зональном и локальном уровнях показывает, что наиболее экстремальной формой проявления современной ано мальной геодинамики недр является локальное проседание зем ной поверхности в зонах разрывных нарушений (у-аномалии). Эти аномальные движения, как отмечалось выше, имеют чрезвы чайно высокие амплитуды смещений (до 5-7 см) и относитель ных деформаций (до 510'5-710~5). Отметим при этом, что если ориентироваться на любые правила охраны подрабатываемых сооружений и природных объектов от вредного влияния подзем ных горных разработок, то величины деформации равные 5Ю~5- 710"5 не причинят абсолютно никакого вреда поверхностным и подземным объектам [30].
Основные пространственно-временные характеристики ано мальных движений идентичны как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных разломных зон. При этом интенсивность де формационного процесса в разломах асейсмичных регионов вы ше, чем в сейсмоактивных.
Установленные типы аномальных движений находятся в оп ределенном соответствии с региональными типами напряженного состояния земной коры. В районах предгорных и межгорных прогибов (области сжимающих напряжений) доминируют р-ано- малии, а в рифтовых областях (зоны растяжений) преобладают у-аномалии. Аномалии типа S оказались крайне редким явлением для всех изученных регионов.
Ю.О. Кузьмин характеризует современные суперинтенсивные Деформации (СД) разломных зон как параметрически индуциро ванные тектонические деформации геологической среды. По его
Таблица 4.2.1
мнению, существуют два варианта формирования локальных де формационных аномалий в зонах разломов:
В^ри^нт I - зона разлома представляет собой ослабленный участок среды, вдоль которого происходят дифференцированные движения блоков, напрямую обусловленные вариациями во вре мени поля напряжений.
В варианте II реализуется механизм параметрического возбу ждения (индуцирования) аномальных деформаций в зоне раз лома. В этом случае региональное поле напряжений квазиста ционарно, а разломная зона представляет собой параметрически возбудимую (малыми воздействиями) активную среду.
Энергетика возникновения этих процессов представляется следующим образом. Существующие в геологической среде дли тельное время региональные, квазистатические силы (напряже ния) тектонического и гравитационного генезиса производят ра боту на локальных перемещениях (деформациях), которые вы званы изменениями во времени жесткостных характеристик в локализованных фрагментах разломов, обусловленными малыми, индуцированными воздействиями на внутренние параметры сре ды разломных зон [20, 21].
Для описания геодинамики разломов авторы этих работ ис пользуют аналитические модели разломов в виде дислокаций и упругих включений в однородной линейно-упругой невесомой среде. Модель, представленная Ю.О. Кузьминым, представляет собой полубесконечное твердое тело, имеющее включение (неод нородность) с иными механическими свойствами, чем вмещаю щая ее среда, на границе которой заданы фиксированные (посто янные) смещения или напряжения. В этом случае при измене ниях во времени механических характеристик внутри включения и при постоянных условиях на границе, происходит формирова ние локального напряженно-деформированного состояния по верхности тела в окрестности данной неоднородности.
Качественные механизмы формирования выявленных типов аномалий представляются в следующем виде (Ю.О. Кузьмин, 1989, 1990):
аномалии типа у обусловлены активизацией трещин отрыва вертикальной ориентации и локальными проседаниями вышеле жащей толщи пород в обстановке квазистатического субгоризон тального растяжения;
аномалии типа р связаны с накоплением трещин отрыва квазигоризонтальной ориентации (дилатансионное разупрочне ние), что приводит к цилиндрическому изгибу верхних слоев земной коры в обстановке квазистатического субгоризонтального сжатия.
Возникновение S-образных аномалий в рамках механизма па раметрического индуцирования процессов представляется сле дующим образом. Зоны тектонических нарушений, особенно имеющие наклонную ориентацию, в обстановке субгоризонтального напряжения являются концентраторами касательных на пряжений, сосредотачиваемых в окрестности разломной зоны. В этом случае при уменьшениях прочности на сдвиг, коэффици ента трения и т.д. в локальной облает** зоны разлома возникают сдвиговые перемещения отдельного фрагмента, приводящего к смещениям на поверхности.
Трещины отрыва вертикальной ориентации, формирующие у-аномалии, соответствуют глубинам 0,1“ 3,0 км; трещины Сдвига (S-аномалии) группируются в диапазоне глубин 3,0-8,0 км, а трещины дилатансионного объемного разупрочнения, приводя щие к p-аномалиям, локализуются в интервале 8-15 км, причем эта глубинная дифференциация локальных механизмов аномаль ного деформирования остается устойчивой для регионов с раз личной геодинамической обстановкой.
Сделаем одно замечание. Выделить В климатических условиях территории Западной Сибири инструментальными методами аномальные зоны современных вертикальных сдвижений земной поверхности, которые характеризуются величиной до 20-30 мм в год, представляется крайне затруднительной задачей. В условиях сильной заболоченности и вымерзания местности требуется очень надежная конструкция репера. При использовании особой конструкции репера на Уренгойском полигоне (см. главу 3) на профиле протяженностью 70 км за год наблюдений не выявлено СД-деформаций. На Астраханском геодинамическом полигоне при общей протяженности профильных линий нивелирования II класса 143 км также за два года наблюдений не выявлено ано мальных деформаций.
Вместе с тем, рассмотрим ряд численных решений, позво ляющих объяснить (3- и у-аномалии.
Рассмотрим, как может реагировать блочный массив на природные сейсмические воздействия на примере блочной структуры территории ВКМКС (см. раздел 4.1). Для расчета напряженного состояния при сейсмическом воздействии ди намическое поле напряжений заменяется эквивалентным квазистатическим, вызываемым действием экстремальных значе ний нормальных и касательных напряжений на бесконечности [4].
Экстремальные значения нормальных и касательных напря жений для продольных и поперечных сейсмических волн опреде ляются по формулам:
*max = ±(l/2 тс) Kcу Cs T0f
где Су Cs - скорость распространения продольных и поперечных сейсмических волн; Т0 - преобладающий период сейсмических колебаний, определяемый по данным инженерно-сейсмических служб, а при их отсутствии принимаемый равным 0,5 с; Кс - коффициент сейсмичности, соответствующий баллу землетря
сенияРассматривалось воздействие продольной волны сжатия-рас-
тяжения, вызванной незначительным природным землетрясением интенсивностью 3-4 балла. Экстремальное значение нормальных напряжений, определенное по формуле 4.2.1, составляет Aov »
«0,025 МПа.
Вконечно-элементной модели воздействие дополнительных сжимающих напряжений Да* учитывается путем задания на бо ковой грани расчетной области перемещений 5*, определяемых по формуле
8, = L • в = №ACT* 1 - 2v - |
v2 + 2vd |
(4.2.2) |
1 - |
2v |
|
где L ~ длина расчетного фрагмента.
Как и ожидалось, при действии волны сжатия на земной по верхности в районе нарушения возникает всплеск поднятий, масштабы которого зависят от упругих свойств среды и вели чины дополнительных напряжений. Результаты расчетов, пред ставленные на рис. 4.2.1, показывают поднятия различной вели чины по сечениям 1-1 и //-//, приуроченные ко всем разломным структурам. Наиболее интенсивные поднятия - до 8 мм приуро чены к Красноуфимскому и Дуринскому разломам. При дейст вии волны растяжения соответственно возникают оседания по верхности. Полученный островершинный вид скачков поднятий и опусканий обусловлен идеализацией среды, но в качественном плане соответствует р и у-аномалиям современных движений земной поверхности. Величины поднятий и опусканий также в целом соответствуют инструментальным данным. Следует отме тить, что скачки поднятий и оседаний 2-3 мм являются, со гласно анализу инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности на нефтяных месторождениях территории ВКМКС, фоновыми значениями для Соликамской впадины. Ме-
Рис. 4.2.1. Вертикальные смещения земной поверхности в районе ВКМКС при действии сейсмической волны сжатия До = 0,025 МПа
няя ширину разлома, физико-механические свойства и пара метры сейсмических напряжений, можно добиться удовлетвори тельного соответствия расчетных и наблюдаемых на практике аномальных деформаций земной поверхности. Становится также ясным, что при наличии сквозной, сильно нарушенной, струк туры с незначительным сцеплением, модулем упругости и внут ренним трением, ослабленными вблизи поверхности действиями влаги локальные скачки поднятий могут быть весьма существен ными. В то же время расчеты показывают, что в горном массиве на глубине 300 м никаких скачков поднятий или оседаний в районе нарушений при действии продольных сейсмических волн уже не наблюдается.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что аномальные величины вертикальных сдвижений земной поверхности, являющиеся частью геодинамической об становки, могут быть обусловлены природной сейсмичностью региона. Фоновые скачки смещений определяются незначитель ными сейсмическими событиями. Как отклики на приходящие сейсмические волны растяжения и сжатия на земной поверхно-
3500 м
Рис. 4.2.2. Конечно-элементная схема для оценки влияния поверхностной зоны ослабления
сти в зонах дробления блоков возникают р и у-аномалии различ ной интенсивности и масштаба.
В заключение данного раздела покажем возможность получе ния у-аномалии в результате изменения физико-механических свойств среды, слагающих разлом. Изменения их могут быть вы званы, например, выпадением атмосферных осадков, изменением гидрогеологического режима и другими факторами, не связан ными с разработкой нефтяного месторождения. Для примера на рис. 4.2.2 и рис. 4.2.3 представлены конечно-элементная схема моделирования такой узкой субвертикальной поверхностной зо ны ослабления пород, расположенной на территории ВКМКС, и результаты расчета возникающих оседаний поверхности при уменьшении модуля упругости пород, слагающих зону, относи тельно первоначального состояния. Расчеты дали ожидаемый результат: в зависимости от изменения модуля упругости можно наблюдать изменение глубины прогиба возникающей мульды и упругое поднятие краев борта. Таким образом, аномальные про садки поверхности в районе нарушения (у-аномалии) легко объ ясняются, помимо фоновой сейсмичности региона, сезонными изменениями прочностных свойств нарушения в результате дей ствия природных или атмосферных факторов.
Зафиксированные на разломных структурах Р, у и S-аномалии смещений земной поверхности имеют серьезное научное значе ние для понимания современной геодинамики разломных зон, понимания феномена периодической концентрации на них де-