книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

Рис. 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

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

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-