Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

8р, мм

На рис. 4.5.6 представлен график зависимости магнитуд воз­ никающих событий при L = 1 км от размера заводнения по вер­ тикали, т.е. от размера по вертикали участка, на котором созда­ ется противодавление в разломе. Эта зависимость довольно су­ щественная, хотя при росте размера заводнения ясно видна тен­ денция к выполаживанию кривых.

В целом результаты расчетов свидетельствуют, что при при­ ближении давления жидкости в разломе к величине боковой со­ ставляющей литостатического давления (напомним, что в расче­ тах было принято Динниковское исходное поле напряжений) как

внижнем, так и в верхнем коллекторах начинают возникать сейсмические события с магнитудой, близкой к единице. Созда­ ваемое в разломе противодавление снимает высокие горизон­ тальные напряжения, обеспечивая необходимые условия для сдвига. Сброс касательных напряжений в элементах изменяется от 6-7 до 0,0 МПа, составляя в среднем 2-3 МПа. Величины сейсмических событий для нижнего коллектора приблизительно

в1,5 раза выше, чем для верхнего, что объясняется более высо­

кие. 4.5.6. Зависимость маг­ нитуд возникающих событий от размера заводнения по вертикали при давлении в разломе 22,5 МПа и падении давления в верхнем (/) и нижнем ( I I ) коллекторах на

6 МПа

кими значениями сброса напряжений и неустойчивым ростом смещений по разлому. Полученные значения магнитуд не пре­ вышают 1,5 и видимо, эту величину следует считать предельно возможной для данных условий. Увеличение ее, например до 2,5, не представляется реальным, так ка& для этого требуется увели­ чение в 10 раз, т.е. на порядок, единичного значения энергии, определяемой по формуле (4.5.6). Это возможно только в случае активизации весьма довольно разлома с размерами зоны завод­ нения по высоте более 300 м.

Анализ предложенной методики оценки возможности возник­ новения неустойчивости в недрах приводит к выводу о возмож­ ности активизации разломных структур просто при их заводне­ нии. Решение даже упругой задачи механики горных пород приводит к возникновению касательных напряжений вблизи тек­ тонических нарушений вследствие большого различия в прочно­ стных свойствах пород нарушения и коренных пород. Дополни­ тельное нагнетание жидкости или их перетоки с верхних гори­ зонтов не только создают противодавление, но и приводит к дополнительному ослаблению прочностных свойств пород нару­ шения. В результате нарушение природного равновесия приводит к смещению пород по разлому. Полученные расчеты подтвержда­ ются фактами возникновения наведенной сейсмичности при соз­ дании высоких плотин, а также сейсмическими явлениями при нагнетании флюида в недра через скважины, что было подробно проанализированно Ж. Грассо, Д. Фурментро и В. Мори [24]. При этом сильное падение давления в коллекторе не является основополагающей причиной, на что указывают не только полу­ ченные результаты, но и данные практики. Так три сейсмические события с магнитудой 7, зарегистрированные в районе газового месторождения Газли (Узбекистан), произошли при падении давления всего на 5 МПа, однако перед каждым землетрясением месторождение интенсивно заводнялось, что и привело к активи­ зации целой группы разломов. В этой связи опасность могут вы­ зывать также регионы, где происходит массовое затопление глу­ боких угольных шахт. Вполне можно ожидать в некоторых из них возникновение наведенной сейсмичности.

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы К ГЛАВЕ 4

1. Барях А.А., Кудряшов А.И., Еремина Н А ., Грачева Е.А. Оценка влияния разработки нефтяного месторождения на геодинамическое со­ стояние недр// Ф ТП Р П И . - 1998. - № 2.

2. Борисов Б.А., Рогожин ЕА . Кумдагское землетрясение 14 марта 1983 г. Материалы геологического изучения//ДАН СССР, Т. 277. - М.: 1984. - № 1. - С. 157-161.

3. Брайен Т.В. Причины повреждений обсадных колонн//Нефть и нефтехимия за рубежом. - 1984. - № 6. - С. 60-11.

4.Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. - М.: Недра, 1982. - 270 с.

5.Вартанова О.В. Методические подходы к оценке надежности и экологической безопасности промысловых трубопроводов//Нефтяное

хозяйство. - 1998. - № 11. - С. 47-48.

6. Герович Э.Г., Дементьев Л.Ф ., Рахимкулов Р.С., Хурсик В.З. Научнометодические основы геодинамического и маркшейдерско-геологичес­ кого прогнозирования зон разрушения нефтепромысловых систем и экологической безопасности при проектировании и разработке нефтя­ ных и газовых месторождений. - Пермь, ПермГТУ, 1995. - 199 с.

7. Гриценко А.И., Зотов ГА . Научно-прикладные геодинамические проблемы разработки месторождений природного газа: - В кн. Пробле­ мы геодинамической безопасности. - СПб.: В Н И М И , 1997. - С. 186— 193.

8. Касьянова Н А . Оценка и учет геодинамических рисков при проек­ тировании обустройства морских нефтегазовых месторождений//Нефтяное хозяйство. - 2005. - № 6. - С. 38-42.

9. НА.Касьянова, Э.В.Соколовский, С.В.Шимкевич. Результаты прогно­ за аварий скважин и порывов трубопроводных систем по геодинамическому фактору//Нефтяное хозяйство. - 1998. - № 9. - С. 75-77.

10. Кашников Ю А ., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом

№3, С. 54-63.

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

12.Кашников Ю А ., Гладышев С.В., Проводников Г.Б. Геомеханический анализ деформирования и разрушения конструктивных элементов неф­ тяных скважин ОАО «Сургутнефтегаз*//Нефтяное хозяйство. - 2002. -

№11.

13.Кашников Ю .А., Кашников О.Ю., Рахимкулов Р.С. Информацион­ но-экспертная система безопасной эксплуатации межпромыслового нефтепровода//Нефтяное хозяйство. - 2001. - № 6. - С. 72-77.

14.Кашников О.Ю., Кашников Ю.А., Круглов Ю .И. и др. Информаци­

онно-экспертная система эксплуатации участка магистрального газопровода^Газовая промышленность. - 2002. - N2 9. - С. 76-78.

15. Козырев А.А., Панин В.И., Савченко С.Н. Сейсмичность при гор­ ных работах. - Апатиты: К Н Ц РАН, 2002.

16. Колотое А.В., Кошелев А.Т. Причины нарушения целостности экс­ плуатационных колонн в группах скважин на нефтяных месторождениях Западной Сибири: Обзор, информ. Сер. Техника и технология обустрой­ ства нефтяных месторождений. - М .:ВНИИЭНГ, 1999.

17.Копнин В.И. Верхнекамское месторождение калийно-магниевых и каменных солей и природных рассолов: Изв. вузов/Горный журнал. - 1995. - № 6. - С. 10-42.

18.Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. -

М.: Наука, 1975.

19. Костюк О.П., Рудинская И.М . Долинские землетрясения в 1974 году//Сейсмологический бюллетень Западной территориальной зоны Единой системы сейсмологических наблюдений СССР. Крым - Карпа­ ты, 1970-1974. - Киев, 1980, ^ С. 192.

20.Кузьмин Ю .О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. - М.: Агентство экономических ново­ стей, 1999. - 220 с.

21.Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации

физических свойств горных пород. - М.: Изд. Моек, госуд. горного ун­ та, 2004. - 262 с.

22. Линьков А.М. Численное моделирование сейсмических и асейсми­ ческих событий в геомеханике//Ф ТПРПИ, 2005. - № 1. - С. 19-33.

23. Материалы X Межотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамической безопасности. - Екатеринбург, 6 -9 окт. 1997 г. - 214 с.

24. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти. - М.: М И Р «Эльф-Акитен», 1994.

25.Моги К Предсказание землетрясений. - М.: Мир, 1988. - 382 с.

26.Николаев Н .Н. Основные причины возникновения аварийных от­ казов на магистральных нефтепроводах//Нефть и газ. - 1999. - № 2. -

С.77-81.

27.Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. - М.: Недра, 1996. - 447 с.

28.Никонов А Л . Землетрясения. Прошлое, современность, прогноз. - М.: Знание, 1984.- 192 с.

29.Петухов И.М ., Батугина И.М . Геодинамика недр. - М.: Недра,

1996. - 217 с.

30. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. -

34.Сашурин А.Д., Кашкаров А Л ., Копырин В.В. Геодинамические факторы и пути снижения аварийности Краснотурьинского участка многониточного магистрального газопровода//Материалы X Межотраслево­ го координационного совещания по проблемам геодинамической безо­ пасности. Екатеринбург, 6 -9 октября 1997 г. - С. 63-67.

35.Сидоров В Л ., Хитрое В.М., Кузьмин Ю .О. Концепция геодина мической безопасности освоения углеводородного потенциала недр Рос­ сии. - М.: изд. МГГРИ. - 1998.

36.Система обеспечения геодинамической и экологической безопас­

37. Смирнова М .Н. Возбужденные землетрясения в связи с разработ­ кой нефтяных месторождений (на примере Старогрозненского землетря­ сения)// Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. - М.: Наука, 1977. - С. 128-141.

38. Филатов В.В., Кассин Г.А., Попов Б Л .^ Геофизические иселедования на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей//Известия вузов. Горный журнал. - 1995. - № 6. - С. 150-161.

39.Фомина С.Т. Геоэкологические условиягазонефтеносных районов

иантропогенная трансформация природных систем на севере Западной

ГЛАВА 5

УСТОЙЧИВОСТЬ И ДЕФОРМИРОВАНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Среди геомеханических проблем, встающих перед нефтяника­ ми, не последнее место занимает проблема устойчивости конст­ рукции нефтяных скважин. В мировой и отечественной практике нефтедобычи известно множество случаев разрушений обсадных колон в процессе эксплуатации нефтяных и газовых месторожде­ ний. Известны случаи деформирования скважин на месторожде­ ниях Северного Кавказа и других регионах страны. В мировой практике массовые нарушения имели место на месторождении Экофиск в Северном море, месторождениях Willmington, Ingle­ wood, Coalinga и других [35]. Среди случаев, известных в отече­ ственной практике, особенно выделяются массовые нарушения скважин на месторождениях Западной Сибири. При этом харак­ терно, что большая часть деформированных колонн находилась на неглубоких горизонтах, порядка 500-750 м (интервал люлинворских и чеганских глин).

Внастоящее время расчет прочности конструкций нефтяных

игазовых скважин производят в соответствии с действующими нормативными документами - Инструкциями [17, 18]. В данных документах регламентирован в основном расчет обсадных ко­ лонн. При этом обсадные колонны рассчитывают на избыточное внутреннее и наружное давление и на растягивающую нагрузку от собственного веса. Избыточные давления рассчитывают для одного и того же этапа строительства или эксплуатации скважи­ ны и сравнивают с допустимыми давлениями. При расчете на растягивающую нагрузку от собственно веса исходят из условия прочности резьбового соединения и, соответственно, страгиваю­

щую нагрузку рассчитывают в зависимости от типа применяе­ мой резьбы.

Как показывает практика, в большинстве случаев такого уп­ рощенного инженерного расчета оказывается достаточно для нормальной эксплуатации скважин. Однако в некоторых случаях требуется проведение дополнительных расчетов устойчивости конструкции, связанных с совместным учетом взаимодействия

всех элементов скважины и породного массива. То есть конст­ рукцию скважины необходимо рассматривать как единую свя­ занную систему, при этом важно выбрать математическую мо­ дель, адекватно описывающую поведение материала.

Наиболее часто проблемы, связанные с устойчивостью сква­ жин, возникают в случае проходки ствола в соляных или пла­ стичных глинистых породах. Как известно, соляные, и нередко глинистые породы, обладают свойствами ползучести (развитие деформаций во времени), при этом действующее на скважину боковое горное давление практически равно вертикальному дав­ лению, т.е. скважина работает в условиях гидростатического тен­ зора напряжений, что отрицательно сказывается на ее состоянии. В этом случае вопрос оценки устойчивости конструкции скважи­ ны приобретает особую актуальность.

В рамках данной монографии рассматриваются только неко­ торые аспекты устойчивости скважин, преимущественно связан­ ные с нестандартными методами ее расчета. В частности, значи­ тельное внимание уделено взаимодействию конструкции скважи­ ны с породным массивом и учету геомеханических эффектов, возникающих на разных этапах строительства скважины. Боль­ шая часть расчетов выполнена с использованием МКЭ на приме­ рах оценки устойчивости конструкций нефтяных скважин, прой­ денных на территории Верхнекамского месторождения калийномагниевых солей (ВКМКС) в интервале соляных пород и в За­ падной Сибири в интервале люлинворских и чеганских глин.

5.1. н а п р я ж е н н о -деф о рм и ро ва н н о е состояние,

УСТОЙЧИВОСТЬ И МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ НЕЗАКРЕПЛЕННЫХ СКВАЖИН

В настоящее время известно большое число работ, посвящен­ ных оценке устойчивости породного массива вблизи незакреп­ ленной скважины. Суть данных работ сводится к определению напряженно-деформированного состояния породного массива вблизи скважины с последующей оценкой устойчивости обнаже­ ний по каким-либо прочностным критериям. Кратко приведем современные представления об изменении напряженного состоя­ ния и устойчивости пород вблизи незакрепленной скважины.

Вскрытие горного массива скважиной нарушает установив­ шееся природное напряженное состояние массива. Около сква­ жины формируется локальное силовое поле с максимальной концентрацией упругих напряжений на стенке скважины. При этом новое напряженное состояние способствует возникновению

различного рода деформаций, охватывающих область, сущест­ венно превышающую по размерам область самой скважины.

Расчетам напряженно-деформированного состояния горных пород вокруг скважин посвящены работы [5, 6, И, 12, 13, 20, 21, 22, 34, 35]. При представлении горадго массива упругой средой, а скважины - полым цилиндром, нагруженным внешним горным (без учета внутреннего давления бурового раствора) давлением для случая анизотропного исходного поля напряжений имеются следующие уравнения, представление в ряде монографий [3, 4, 29]:

шение минимальной и максимальной составляющих горного дав­ ления, г0 - радиус скважины.

Решение этих уравнений с учетом давления бурового раствора свидетельствует о том, что влияние скважины распространяется на расстояние примерно 3-5 радиусов от ее центра. Кольцевые (тангенциальные) напряжения имеют наибольшее значение на контуре ствола и по мере удаления от скважины уменьшаются до величины напряжения в нетронутом массиве. Радиальные на­ пряжения, наоборот, увеличиваются по мере удаления от сква­ жины от значений на контуре ствола, равных давлению столба бурового раствора, до начальных в нетронутом горном массиве.

При достижении напряжениями определенных значений по­ рода в окрестности скважины начинает переходить в предельное и запредельное состояния. Распределение напряжений в пре­ дельной области по мере ее образования находят из принятых условий наступления предельного состояния и уравнений равно­ весия. Если принять за предельное состояние условие прямоли­ нейной огибающей Кулона-Мора, то для случая изотропного поля напряжений получаются следующие формулы для кольце­ вых и радиальных напряжений в предельной области: