книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

нием, составляет от 10"5 до 10"6 в зависимости от землетрясения, вносит весьма большую неопределенность в процедуру не только предсказания, но и оценку возможности возникновения земле­ трясения. В мировой практике имелись случаи как возникнове­ ния землетрясения после подъема земной поверхности, так и от­ сутствия его. Наиболее представительными оказываются в ас­ пекте предсказания землетрясений горизонтальные сдвижения поверхности, особенно приуроченные к разломам, которые дости­ гают нескольких метров в ходе реализации главного толчка (раз­ лом Сан-Андреас в Калифорнии, разлом Гомура в Японии - ска­ чок смещений 2,5 м), однако их контроль на больших террито­ риях до недавнего времени вызывал существенные технические и временные трудности. И лишь с появлением GPS-технологий эти трудности устраняются, в связи с чем практически во всех сейс­ моактивных территориях в настоящее время создаются специ­ альные GPS-полигоны.

Геодезические наблюдения за процессами сдвижения зем­ ной коры показывают, что даже в относительно слабых в сейс­ мическом отношении регионах наблюдаются довольно значи­ тельные подвижки по контактам блоков. По данным В.М. Тряпицына [32] средняя скорость движения блоков 2-го ранга в Хи­ бинах в 38 % не превышает 5 мм/г., в интервале скоростей от 20 до 35 мм/г. движений не отмечалось, но более 15 % блоков испытывали движения со скоростью от 45 до 55 мм/г. Распреде­ ление скорости движения блоков 3 и 4-го рангов более равно­ мерно. Средние значения площади блоков различного ранга в Хи­ бинах составляют: 2 ранг - 82,9 км2, 3 ранг - 12,7 км2, 4 ранг - 5,7 км2

По данным А.Д. Сашурина и сотрудников ИГД УрО РАН (г. Екатеринбург) [34], изучавших проблему аварийности Краснотурьинского участка многониточного магистрального газопро­ вода, абсолютные величины деформирования земной поверхно­ сти достигают 1,5-3,0 мм/м. В связи с дискретным характером деформирования блочной среды, которой представлен горный массив, по мнению А.Д. Сашурина можно ожидать, что скорости смещений по активным тектоническим разломам на 1-2 порядка превышают скорости деформирования, т.е. превысят 15-30 мм/м в год.

Ю.П. Шулецов считает [34], что для нарушений 4-го ранга на глубине до 1000 м с линейным размером нарушения 1 км вели­ чина смещения составляет порядка 1 см и при этом выделяется энергия 109 Дж. Этот порядок энергии зафиксирован в случае горно-тектонических толчков при разработке месторождений [40]. Для нарушений 5-го ранга с линейным размером нарушения

100 м величина смещения составляет порядка 1 мм и при этом выделяется энергия 107 Дж.

К сожалению геодезический аспект техногенных землетрясе­ ний, и тем более при добыче углеводородного сырья, практиче­ ски не изучен, видимо в силу пока еще незначительного их чис­ ла. Имеются данные по газовому месторождению Газли, обоб­ щенно представленные в работах [43, 51]. Земная поверхность в центральной части месторождения до 1974 г. опускалась со ско­ ростью 10 мм/г. (1964-1968 гг.) и 19 мм/г. (1968-1974 гг.). Они были предвестниками первого землетрясения в 1976 г. (8 апреля и 17 мая). После него в 1976-1977 гг. зафиксирована просадка до 230 мм. В 1978 г. (5 июля) произошло еще одно земле­ трясение. До этого (сентябрь 1977 г.) отмечено поднятие земной поверхности на 25-48 мм, затем после землетрясения - опуска­ ние до 245 мм (октябрь 1978 г.). В 1978 г. опускание достигло 313 мм. Средняя скорость опускания в 1979-1982 гг. достигла 25 мм/г. 20 марта 1984 г. произошло новое землетрясение, после которого зафиксировано поднятие земной поверхности в цен­ тральной части месторождения на 143 мм. Характерно, однако, что для месторождения Лак не выявляется связи вертикальных движений земной поверхности с сейсмическими явлениями.

Представленные краткие сведения по деформационным харак­ теристикам техногенных землетрясений, естественно, не претен­ дующие на значительную ширину охвата данного вопроса, тем не менее дают довольно определенные ориентиры, заключающиеся в следующем:

радиусы действия возникающих сейсмических источников не превышают 100 м;

дислокации - относительные смещения под действием попе­ речных сдвигов в процессе возникновения которых возникают землетрясения в основном не превышают 1 см;

в ряде случаев наблюдаются поднятия земной поверхности, однако параметры поднятий не установлены.

4.5. ОЦЕНКА МАГНИТУД ТЕХНОГЕННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Представленные в предыдущих разделах сведения дают пред­ ставление о модели очага техногенного сейсмического явления как об активизации разлома или нарушения, т.е. неустойчивого сдвига его бортов. Впереди развивающейся в разломе магист­ ральной трещины возникает область объемного разрушения за

счет создания множества микротрещин. Трущиеся при сдвиге борта разлома порождают сейсмические волны, хотя подавляю­ щая часть высвобождаемой энергии расходуется на образование в бортах разлома зоны дробленой породы. При таком механизме явления для оценки количества выделяемой энергии необходимо определить сброс касательных напряжений после сдвига и вели­ чину динамических подвижек по нарушению, т.е. задача сводится к расчету НДС горного массива, содержащего поверхности ос­ лабления.

Примеры использовался такого подхода для оценки возмож­ ности техногенных землетрясений имеются на нефтяных и газо­ вых месторождениях. Например, на газовом месторождении Елефелд (Нидерланды) оценивалась возможность сдвига по трем нарушениям сбросового типа, разбивающих коллектор под уг­ лами 20-30° к вертикали [49]. Для расчета НДС решалась упру­ гопластическая задача с использованием критерия разрушения Кулона-Мора. В качестве динамических смещений принималась пластическая составляющая общих перемещений. При глубине коллектора 3200-3300 м, мощности 130 м и его диаметре 2000 м максимальная магнитуда сейсмического явления по расчетам ав­ торов изменяется от 2,55 при угле внутреннего трения по нару­ шению 30° до 3,1 при ср = 22° Величины динамических смеще­ ний при этом изменялись от 1,0 до 6,5 см.

Аналогичным образом на основе анализа возможности сдвига по нарушению с использованием критерия разрушения КулонаМора оценивалась возможная магнитуда сейсмического события при разработке одного из месторождений на территории Перм­ ского края (А.А. Варях и др. [1]). При этом величины смещений брались на основе решения упругой задачи.

Более сложной является модель скольжения с разупрочне­ нием, широко развитая в работах Дж. Райса [33]. На рис. 4.5.1 показана схема скольжения по разлому и развития трещины в соответствии с коэффициентом интенсивности напряжений Кц. Началу скольжения по разлому соответствует достижение каса­ тельным напряжением своего максимального значения тр. До этого момента наблюдается как рост касательного напряжения, так и рост касательного к поверхности разлома смещения 5S. При достижении 5* величины 5Р, соответствующей параметру тр, на­ чинается этап неустойчивого роста трещины и падение касатель­ ных напряжений до величины остаточной прочности т* После падения напряжений до т* перемещение 8Sможет неограниченно расти при неизменной величине т*, что соответствует свободному перемещению данного участка одного борта разлома относи­ тельно другого, расположенного за размером зоны разупрочнения

Размер концевой зоны ©0, в которой 0 < 8S< 8Р дается в виде выражения [33]:

Отсюда следует, что Ър = (4/9)Аи , и окончательное выраже­ ние для энергии разрушения имеет вид:

Таким образом, в рамках решения задачи об оценке возмож­ ности возникновения техногенного землетрясения следует знать параметры, характеризующие сброс напряжений и параметры, характеризующие неустойчивое смещение бортов разлома. Если сброс напряжений относительно легко ищется из решения общей задачи определения НДС до и после сдвига, то для определения смещений по разлому требуется использование специальных мо­ делей, учитывающих контактные характеристики деформирова­ ния по трещинам. В качестве такой модели хорошо подходит модель деформирования скальных пород по системам трещин, описанная в главе 2. Данная модель удобна для решения задачи по оценке магнитуд техногенных сейсмических событий, так как диаграмма деформирования скальных контактов (см. рис. 2.3.1) практически аналогична модели скольжения с разупрочнением (см. рис. 4.5.1).

Математический аппарат модели деформирования скальных пород по системам трещин и ее реализация методом конечных элементов изложены в главе 2. Особенности применения модели для оценки магнитуд техногенных сейсмических событий заключаются в следующем (Ю.А. Кашников, С.Г. Ашихмин [10,

Н]).

Разлом представляется средой, разбитой системой трещин вдоль поверхности раздела. В результате численного расчета НДС разлома в каждом элементе, где получено превышение ка­ сательных смещений 8S величины 8Р, определяется сброс напря­ жений ( i p - т * ) . Для каждого элемента разлома, вышедшего в запредельное состояние, находится также разница между каса­ тельным смещением 8* на участке стабилизации итерационного процесса и величиной Ьр. Величина т* также определяется на участке стабилизации итерационного процесса. Значение высво­ бождающейся в i - м элементе энергии представляет собой превы­ шение в элементе действительной работы в процессе разрушения над работой при скольжении против остаточных сил трения т* и равно

(4.5.4)

где 5* - касательное смещение, достигнутое на момент стаби­ лизации итерационного процесса.

Единичное значение выделяющейся энергии определяется как среднее значение по всем элементам, вышедшим в запредельное состояние

(4.5.5)

Перемножив полученную величину на продольный размер зо­ ны запредельного состояния элементов разлома, получим нор­ мированное значение энергии, высвобождающейся в разломе в процессе неустойчивого сдвига его бортов

(4.5.6)

Для получения полного значения энергии техногенного зем­ летрясения следует перемножить полученное из уравнения (4.5.6) нормированное значение на линейный размер предпола­ гаемого сдвига по простиранию разлома. Видимо следует вы­ брать различные размеры предполагаемых сдвигающихся участ­ ков, как это было сделано для месторождения Элефелд [49]. При этом допускается произвол в выборе линейного размера сдвига по простиранию, однако последующие оценки говорят о его несущественном значении. Изложенные модельные представ­ ления техногенного землетрясения как результат выделения сейсмической энергии при скольжения блоков по разлому по­ зволяют оценить возможность возникновения сейсмических со­ бытий при добыче углеводородного сырья.

Оценочные расчеты техногенного сейсмического риска были выполнены применительно к отработке Уньвинского месторож­ дения нефти (Пермский край). На первом этапе расчетов выпол­ нялся общий прогноз напряженного состояния горного массива при отработке месторождения и падении давления на 6, 10, 20 МПа (использовался программный комплекс «GEOTECH»). При этом, как описано в главе 3, добивались сходимости расчет­ ных оседаний земной поверхности с результатами инструмен­ тальных наблюдений. Хотя падение давления свыше 6 МПа на Верхнекамских нефтяных месторождениях встречается редко, в

данном случае решалась задача выяснения условий, при которых возможны динамические подвижки.

На втором этапе более детально рассматривался расчет­ ный фрагмент в районе коллекторов, вырезанный из общей рас­ четной схемы (рис. 4.5.2). В качестве граничных условий задава­ лись величины перемещений, полученные при решении общей схемы.

Моделировалась возможность возникновения динамических подвижек по нарушению, представленному ослабленной верти­ кальной зоной мощностью 5 м, рассекающей продуктивную тол­ щу и слой карбонатов. Нарушение было представлено средой, ослабленной системой вертикальных трещин, что обеспечивало возникновение касательных по нарушению перемещений. Учиты­ вая, что прочностные свойства пород по нарушениям, как пра­ вило, на порядок нйже прочностных свойств основного массива, значение сцепления в расчетной модели было принято Cw = = 0,05 МПа, значение внутреннего трения cpw= срт = 20°, ср’ = 10°. Угол дилатансии i0 принят равным 10°. Параметр 5Р, характери­ зующий начало неустойчивости процесса сдвига, согласно данным Бартона, Бандиса, Лейхнитца, Ербана, выполнявших испытания образцов на приборах прямого среза, принят равным 1,0 мм [41, 44, 46]. При этом в расчеты вносится определенный произвол, однако специально проведенные исследования показы­ вают, что при высоких нормальных напряжениях величина угла дилатансии практически не оказывает влияния на результаты расчетов, так как при этом наблюдается срез шероховатостей, но не скольжение по ним [41, 46]. Величина параметра разупрочне­ ния также не играет роли, так как в данной задаче требуется достижение стабилизации итерационного процесса, поэтому в итерационной процедуре подбирается соответствующее соотно­ шение параметра х и отрезка времени интегрирования А£, обес­ печивающее хорошую сходимость процесса.

В рамках идеализации расчетной схемы предполагалось, что падение давления происходит только с одной стороны наруше­ ния, что создает наиболее благоприятные условия для сдвига. Очевидно также, что наиболее благоприятные условия для сдви­ га возникают также в случае нагнетания флюида в нарушение, так как в этом случае не только ослабляются прочностные свой­ ства пород, слагающих нарушение, но и создается противо­ давление жидкости, снижающее нормальные напряжения сжатия.

Первоначально моделировалась возможность сдвига по нару­ шению при падении пластового давления и отсутствии противо­ давления жидкости в нарушении. Рассматривалась отработка обеих пластов в режиме упругой энергии. Результаты расчетов

показали, что даже при падении давления в коллекторах на 20 МПа силы трения не позволяют сдвигаться бортам разлома, т.е. техногенных землетрясений без поступления жидкости в раз­ лом и создания противодавления в нем возникнуть не может. При этом пока не обсуждается вопрос о естественном притоке подземных вод в нарушение под высоким давлением и создании в нем распора в результате падения давления в коллекторе вследствие откачки нефти.

Возможность динамических сдвижений горного массива в районе коллекторов возникает при отработке месторождения в режиме заводнения, причем при нагнетании жидкости непосред­ ственно в нарушение. Естественно, что такой вариант чистого нагнетания в разлом может встретиться крайне редко, однако именно подобная ситуация может породить техногенное земле­ трясение. Принималось, что участок нагнетания жидкости в раз­ лом соответствует в первом приближении участку перфорации скважины по нижнему и верхнему пластам, т.е. на участке по высоте 60 м по верхнему и двум нижним пластам. Модуль упру­ гости и коэффициент Пуассона пород приняты соответствую­ щими основным породам. Характеристики диаграммы деформи­ рования и контактные характеристики пород нарушения на уча­ стках нагнетания флюида приняты: Cw = 0,05 МПа, сpw = Фт = = 20°, ф* = 10°, z'o = 10°, bp = 1,0 мм. Эти же характеристики при­ няты и по остальным участкам нарушения за исключением сцеп­ ления, принятого равным 0,5 МПа, так как заводнение разлома способствует снижению сцепления по меньшей мере на порядок.

Была выполнена серия расчетов с вариацией как давлений на­ гнетания в разлом, так и падений давления в коллекторах. Рас­ сматривались ситуации нагнетания жидкости в части разлома, пересекающем только верхний пласт, только нижний пласт, од­ новременно верхний и нижний эксплуатационные объекты. Для всех ситуаций падение давления рассматривалось в верхнем и нижнем коллекторах одновременно. Магнитуды возникающих

зультате сдвига бортов разлома энергии, определенное по фор­ муле (4.5.6) и уменьшенное в 100 раз согласно значению сейсми­ ческого к.п.д. г| = 0,01.

При расчете магнитуды события условно рассматривались си­ туации активизации разлома размером па простиранию L = 250, 500, 1000 м, т.е. использовался подход, аналогичный применен-

Рис. 4.5.3. Зависимость магнитуд возникающих событий от размера активиза­ ции разлома по простиранию при Ьр = 0,5 мм:

22,5 - давление в разломе; 6,0 - падение давления в коллекторе

ному в работе [49]. Расчетным путем было установлено, что уве­ личение размера L начиная с 250 м каждый раз в 2 раза ведет к увеличению магнитуды события на 0,2 единицы, т.е. увеличение Данного параметра с 1000 до 2000 м довольно незначительно ска­ зывается на величине магнитуды. Соответствующий график представлен на рис. 4.5.3.

На рис. 4.5.4 показаны области возникновения запредельных значений параметра 5Sпараметра, характеризующего величины касательных смещений основного массива по нарушению, для падения давления в коллекторах на 6 МПа и давления нагнета­ ния жидкости в нижний разлом 22,5 МПа. Графики изменения касательных смещений bs показывают их монотонный рост к вершине трещины - началу зоны запредельных смещений и по­ следующий их резкий рост на участке неустойчивого сдвига. Возможна, однако, и другая ситуация, когда не наблюдается рез­ кого роста касательных смещений на участке неустойчивого сдвига, что соответствует значительно меньшей магнитуде собы­ тий. Вообще, как и ожидалось, магнитуда события сильно зави­ сит от амплитуды сдвига, которой в модели соответствует мак­ симальная величина касательных смещений 8*.

На рис. 4.5.5 представлен график зависимости магнитуд воз­ никающих явлений при L = 1 км от одного из самых неопреде­ ленных параметров - 8Р. Для его наиболее вероятных значений - 0,5, 1,0 и 1,5 мм эта зависимость довольно слабая. На рис. 4.5.5 видно, что магнитуды различаются на 0,2-0,5 единиц, т.е. незна­ чительно.