книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья
..pdfРис. 4.5.5. Зависимость маг- |
1,5 |
|
|
нитуд возникающих событий |
|
|
|
от 5Р параметра для верхне |
|
|
|
го / и нижнего I I коллектора |
|
|
|
при давлении в разломе |
1,0 |
|
|
22,5 МПа и падении давле- |
|
|
|
ния в коллекторах на 6 МПа |
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
0 |
1,0 |
1,5 |
|
0,5 |
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
режиме |
на |
изменение |
НДС горного массива. Часть |
1,2,3.//Ф ТПРПИ, |
1998, № |
5, |
С. 71-80, |
Ф ТП Р П И , 1999, № 3, С. 51-57. |
Ф ТП РП И , 2000, |
№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. -
СПб.: В Н И М И , Изд. В Н И М И , 1998. - |
291 с. |
|
|
|||
31. |
Природные резервуары углеводородов и их деформации в процес |
|||||
се разработки нефтяных месторождений: Тез. докл. конференции. - |
Ка |
|||||
зань, 2002 г. |
геодинамической |
безопасности. - СПб., |
1997. |
- |
||
32. |
Проблемы |
|||||
С. 66-71. |
Механика очага |
землетрясения; Пер. с англ, |
под |
ред |
||
33. |
Райс Д ж . |
|||||
В.Н. Николаевского. - М.: Мир. - |
1982. |
|
|
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
ности при проектировании |
и эксплуатации |
объектов ТЭ К. Методиче |
ские рекомендации. - СПб.: |
В Н И М И , 2001. - |
86 с. |
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
Сибири. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Тюмень. - 1998. - 24 с.
40. Aydan О, Shimizu Y. and Kawamoto Т. The Anisotropi of Surfage Morphology Charakteristics of Rock Discontinuities//Rock Mec. Rock En ginering, 1996. - vol. 29 - № 1. - P. 47-29.
41.Barton, N.; Bandis, 5. (1982): Effects of Block Size on the Shear Be haviour of Jointed Rock. Proc. of the 23rd U.S. Symp. on Rock Mech., Is sues in ROCK Mech., Berkeley, California 1982. - New York: A.I.M.E.
42.Grosso J.R., Feigner B. Seismicity Induced by Gas Production: Lithology Correlated Events, Induced Stresses & Deformation, 134 Pure & Applied Geophys. 427, 1990.
43.Grasso I.R., Plotnikova L.M., Nutaev L.M. Bossu R. The Three M-7
Gazli Earthquakes, Usbekistan, Central Asia: The Largest Seismic Energy Releases by Human Activity, [Abstracts] X X I Gen Ass. Int. Union Geodesy
&Geophys/A 363, 1995.
44.Erban, P.-J.: Raumliche Finite-Element-Berechnungen an idealisierten Diskontinua unter Berilcksichtigung des Scherund Dilationsverhaltens von Trennfl&chen. VerOffentlichungen des Institutes for Grundbau, Boden-
mechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau der RW TH Aachen, Heft 14, 1986.
45. James T. Rutledge & Thomas D. Fairbanks, James N.Albright, Rodney R.Boade, John Dangerfield & Geir H.Landa. Reservoir microseismicity at the EkofisK oil field. Eurock ’94. - S. 589-595.
46. Leichnitz W. Mechanische Eigenschaften von Felstrennflaechen im direkten Scherversuch. Veroeff. des Institutes ftlr Bodenmechanik und Fels mechanik der T H Karlsruhe, Heft 89. - 1981.
47. M axwell S.C., Young R.P., Bossu R. Microseismic Loggin of the Ekofisk Reservoir. EUROCK-98. Rock Mechanics in Petrolium Industrie. Trondheim. - 1998. Pp. 387-393.
48.Nicholson C., Roeloffs E., Wesson R.L., 1988. The northeastern Ohio earthguake of 31 Januaru 1986: Was it induced? Bull. Seis. Sos. Am., 78. Pp. 188-217.
49.Roest J.P.A. & W.Kuilman. Geomechanical analysis of small earth quakes at the Eleveld gas reservoir. Eurock ’94. - S. 573-580.
50.Roest J.P.A., Mulders F.M.M. Overview Modelling Gas ProductionInduced Seismicity Mechanisms. Eurock 2002. - Pp. 333-338.
51.Simpson D., Leith W. The 1976 and 1984 Gazli, USSR, Earthquakes,
Were They Induced? Vol. 75 (1985), № 5, Bull. Seismological Soc. Am. 1465-1468.
52.Wetmiller RJ. Earthquakes near Rocky Mountain House, Alberta, and Relationship to Gas Production, Can Journ. of Earth Sciences, vol. 32 (2) (1986), 172-181.
53.Rock at great depth - Rock mechanics and rock physics at great
depth/Proceedings of an international symposium, Pau, 28-31.08.89 1989. 1620 p., 3 volumes, 295, - A.A. Balkema, P.O. Box 1675, Rotterdam, Neth erlands.
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]:
|
1 |
+ х |
( |
2\ |
1 - X |
( |
4 |
|
2 |
|
стг = уЯ |
1 _ ! |
U |
3 i - 4 |
i cos 20 |
|
|||||
|
|
1 |
п |
|
|
|||||
сте = уЯ |
1 + X |
г2] |
|
( 1 + 3 |
г^О |
cos 20 |
(5.1.1) |
|||
|
|
2 |
1 |
2 |
|
'*1 |
|
|||
|
тгв = ~ уЯ |
1 - X |
QГ0 |
|
sin 20 . |
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
г< |
|
|
|
|
В этих формулах ап ае - |
соответственно радиальные и тан |
|||||||||
генциальные напряжения, у - |
объемный вес пород, X - |
соотно |
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:
2sin<p
° r =
1 + sincp
ae = l----—
1 - Sin (p
( Y ^1 + c C t g <p ) ^ ~ j '" sln* |
-cctgtp; |
|
(y/*+cctg<p)Q ~*in<l> + |
s i n g i c c t g |
( 5 . 1 . 2 ) |
|
1 - sin cp |
|
В этих формулах с, cp и у - соответственно сцепление, угол внутреннего трения и объемный вес породы.
Отметим, что общее аналитическое решение для случая ани зотропного поля напряжений является достаточно сложным и получило в соответствующей научно-технической литературе термин «задача Галина». Соответствующие решения при различ н ы х критериях пластичности можно найти в работах А.Н. Ставрогина и А.Г. Протосени [32]. С появлением численных методов подобные решения не потеряли своей актуальности, однако в инженерной практике стали постепенно вытесняться.
Характер распределения напряжений вокруг скважины в зоне пластических деформаций несколько иной. По сравнению с рас пределением напряжений в упругой среде, максимум тангенци альных напряжений находится не на контуре сечения скважины, а на границе зоны пластических деформаций. При условии пла стичности Треска-Сен-Венана (в данной среде пластические де формации обусловливаются только сцеплением, т.е. угол внут реннего трения равен нулю) распределение напряжений в пре дельной области будет выражаться уравнениями:
стг=рр + 2тт1п^; сте = а г + 2тт; с г = а г + тт, |
(5.1.3) |
где тт - предел текучести материала при сдвиге.
Согласно условию Треска-Сен-Венана предел текучести при сдвиге представляет половину предела текучести при его сжатии, однако, опытами доказано, что это соотношение колеблется в пределах 0,55-0,6. В лучшем соответствии с экспериментальны ми данными находится условие пластичности Губера-Мизеса- Генки, согласно которому тт = 0,577aT. С учетом этого условия распределение напряжений вокруг скважины после перехода в предельное состояние определяется выражениями:
<5Л 4>
В настоящее время получены многочисленные решения зада чи о распределении напряжений вокруг выработки круглого се-