Научная электронная библиотека

АВТОПРОЕКТИРОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН В 3D: ПРОЕКТНО-МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД

Бейсембаев К. М., Жолдыбаева Г. С., Дёмин В. Ф., Малыбаев Н. С., Шманов М. Н.,

5. Плоское проектирование зоны откачки нефти под дном водоёма

Ранее мы рассмотривали взаимодействие массива пород недр с крепью, в том числе и, в виде металлических труб (тюбингов) и обсадных колон [5, 7, 15]. Можно рассматривать различные по характеристикам породы, отличающиеся модулем упругости, коэффициентом Пуассона и плотностью. Породы находятся под действием собственного веса, учитываются свойсва материала крепи и величины её распора. Этот класс задач распространяется и на решения для лавных технологий и технологий разработки с применением скважин вертикального и наклонного направления. Но такой подход, прежде всего, характерен для методик, где не рассматривают обширные нестационарные, внезапные процессы разрушения пород, которые обязательно происходят, как только начинается разработка [2, 5, 6, 7, 10, 15]. Это сдерживает применение полученных результатов. Но «старые» методы являются сейчас единственными, хотя недостаточны для прогнозирования и учитывать [15] уже необходимо. Опыт исходящий из точности «старых» методов работает на стадии проектных решений, в то время как «нестационарные методики» могут использоваться на стадии управления горными работами, в текущей обстановке, например, при подвигании лавы, когда геомеханическая ситуация непрерывно изменяется. Иногда такое управление называют «с обратной связью».

Крепь и слои пород у нас были склеены между собой, хотя никаких затруднений для применения более совершенного способа с использованием контакт – элементов мы не видим.

Вначале рассмотрим пример разработки полосообразной нефтегазовой залежи в отдельно взятом участке водоёма (например, на шельфе). И наши рассуждения, исходя из проектно-модельного принципа, мы ориентируем на Каспий, где на относительно небольшом участке ведут хаотическую добычу 5 стран. Предусматривается разработка пласта под дном водоёма с ряда скважин. В результате откачки нефти, неравного притока заводнения часть продуктивного пласта проседает. В приведённой программе изложенны все этапы построения дна и полостей разуплотнений от разработки. При этом в нём происходят процессы уплотнения – разуплотнения структуры и, в зависимости от состояния пласта, изменяются в ту или иную сторону пористость, проницаемость, насыщенность пород [24, 25]. Предварительно их можно характеризовать матрицей параметров состояния массива, куда включены:

E – модуль деформации пород (скачкообразно изменяется в сторону уменьшения в направлении к добычной скважине);

µ – коэффициент Пуассона;

ρ – плотность пород.

Причем вполне возможно: En << Eном; Е1 >> Eном.

Механизмы уплотнения – разуплотнения связанны с молекулярной структурой пород.

При достаточной протяженности пласта в пролетах между скважинами нефть и газ практически сохраняются и жесткость пролетов выше, чем в районе добычи. Поэтому середины пролетов являются опорой для вышележащих слагающих пропластков. В результате слоистая структура донных пород приобретает выраженный волнообразный характер. При превышении мощности донных пород мощности пласта в десятки раз сдвижение пород над разуплотнённой зоной происходит со сводообразованием в неявном виде, когда контур свода 3--3 (рис. 5.1) представлен не полностью оформленными трещинами без обрушения формирующихся блоков пород, находящихся в неустойчивом равновесии. Расчёт напряженно-деформированного состояния с учетом постепенного введения указанных факторов показывает невозможность поддержания массива в традиционном состоянии и уже при начальном разуплотнении пород за счёт добычи происходит их дезинтеграция. Ряд участков отслаивается друг от друга, возникают условия для уплотнения разуплотнения, причем коэффициенты состояния отличаются друг от друга в десятки раз. Возникают возможности раскрытия трещин по верхнему контуру пород в результате их изгиба. Трещины раскрываются со стороны выпуклой части слоёв и сужаются вниз к устью трещины. Для сложной системы пород инициируются сейсмические процессы: в зоне активных скважин, у береговой части пласта, – а возможно, и в зонах замороженных скважин происходят процессы деформирования, сжатия, сдвига следствием чего могут быть внезапные разрушения слагающих блоков, их смещения. Деформирование, в частности, определяется энергией формоизменения системы, достигшей критического состояния при освобождении от связей, когда ей выгодно изменить форму, например, форму волнообразного деформационного контура на новую. Обычно освобождение от связей протекает некоторое время плавно, когда параметры меняются на небольшую величину, но затем по достижении следующего освобождения, меняются нелинейно. Процесс может происходить в системе неоднократно, то есть система может иметь определенное множество состояний форм, а точнее энергетических состояний, что можно определить расчётным путем. Но перед этим может возникнуть сеть трещин и выделение газа при наличии газовой шапки. Подъём части слоя пород у центральной опоры пролета между скважинами, (особенно при небольшой толщине пород отделяющих пласт и дно) и опускание у добычной скважины вызовет резкое повышение давления воды (вплеск), что может вызвать процессы возникновения крупной разрушительной волны. Опасность представляет и направленное излучение, формируемое при образовании пластического течения породы в устье трещины, представляющее собой фокусировку энергетического луча [43]. Если исходить из геометрии зоны, где формируются трещины, то объемы пластического ядра достигают нескольких метров, а форма совпадает с обычным клиновидным ядром, формирующимся при резании пород. По основным показателям процесса, в момент «схлопывания» клина – предельного утончения его острия, формируется луч по природе аналогичный лазерному излучению, включая и такие факторы, как свечение. Представленный механизм был ранее предложен для объяснения крупных обрушений пород в угольных шахтах и при формировании внезапных выбросов угля и газа. Сопоставление ряда аналитических и экспериментальных данных, в том числе, энергетики процессов, дают удовлетворительное подтверждение. Кроме того, резкое газообразование на отдельных участках и поддутие почв выработок, также можно объяснить факторами внезапного волнообразного подъёма пород в угольных шахтах. Они происходят в случаях, когда из соседних выработок производилась скважинная дегазация пласта и при отсутствии надлежащего мониторинга за равномерностью процесса, происходило не улучшение, а резкое ухудшение опасной ситуации.

5_1.tif

Рис. 5.1. Особенности дезинтеграции пород в зоне добычи: 1 – участки изменения модуля деформации пород; 2 – контуры сводообразования пород; 3 – кровля свода; 4 – поверхность консоли у скважины; 5 – зона удлинения разуплотнения при откачке нефти; S – ось относительной симметрии

Добыча нефти сопровождается увеличением выработанного пространства и вызывает перераспределение напряжений. Так, в условиях начального свода пород над зонами разуплотнений напряжения σх и σу имеют сжимающий характер. Затем возникает зона растяжения, значения напряжений могут измениться в несколько раз и многократно превышают условия раскрытия трещины отслоения, в результате чего уже при гораздо меньшем пролете происходит поэтапное отслоение кровли. Трещина отслоения в рассматриваемой точке перемещается вперёд на шаг tt, образуя зависание. В соответствии с получаемыми данными в каждом расчётном цикле программно можно получить и условия поперечной трещины в слое. С учетом неравномерной прочности пород аналогичные процессы протекают и в остальных слоях, хотя они более ясно выражены вблизи пласта и трещины не приводят к явному отделению друг от друга блоков пород, как например это имеет место при добыче твёрдых углеводородов на шахтах. Эта ситуация подчеркивает неустойчивую равновестность системы пород дна даже при постепенной добыче. Породы фактически разобщены, хотя контуры трещин, оформляющих блочную систему, имеют и зоны сплошности. Поэтому эти факторы стимулируют внезапные подвижки пород и резкое возрастание вероятностей аварий, а также поведение пород как активных сред, когда они инициируют нелинейные, нестационарные самоорганизующиеся процессы.

Отметим, что неожиданные подвижки пород происходят постоянно, формируя так называемый сейсмический фон (белый шум) в зоне разработки. При этом формируются и газообразные флюиды. Расчёт такой системы производится на основе блока математических моделей идентификации её текущего состояния из их множества, характерного рассматриваемым условиям. Условиями идентификации могут быть данные дистанционного зондирования массива, показания магнитных, акустических датчиков, располагаемых в скважинах. Расчёты, учитывающие непрерывное движение фронта разуплотняемых пород при добыче показывают также, что параметры устьевого оборудования скважин подвержены существенному риску из-за подвижки пород, которая может внезапно оборвать один из его элементов, вызвав излияние нефти и газа в воды. Современный дистанционный акустический контроль не способен во всех случаях определить колебания пород из-за гашения излучения, как например это было в мексиканском заливе. Относительная редкость аварий металлоконструкций объясняется большой разбросанностью и случайностью распределения зон подвижек пород в пространстве вокруг очистных работ, но, тем не менее, наносит вред глобального масштаба. Многомерный подход позволяет уточнить идентификацию за счёт измерения процессов по нескольким независимым факторам. Поэтому датчиками и автоматизированными базами данных должны оснащаться все морские скважины, а контроль их содержания возлагаться на соответствующие частные и государственные институты проектно-исследовательского и научно-образовательного профиля, куда они должны поступать по независимым каналам.

Из картины распределения вертикальных напряжений совмещенной с картиной деформации при разработке двух пластов, очевидно опускание дна над разработкой. Лишь фактор большого времени протекания сдвижения позволяет надеяться на относительную безопасность работ. Но интенсификация добычи и прогресс их технологий не сохраняет такие надежды. Современные технологии наклонно-направленного бурения позволяют проводить скважины по пласту на 2 км, а применение диспергентов и физических методов гидроразрыва пласта между параллельными скважинами могут время сдвижения пород резко сократить. Об эффективности таких технологий свидетельствуют и факты рентабельной добычи газа из угольных пластов при их применении в условиях шахт. С сокращением времени сдвижения узкая зона относительно равномерного НДС у скважины (рис. 5.2) быстро измениться и вызовет подвижку пород, обрыв скважины и вибрацию устьевого оборудования и особенно при примененении несимметричной схемы интенсификации добычи (слева или справа от скважины). Причем опасна и управляемая добыча, если зоны управления окажутся недостаточными. Дело в том, что управление массивом пород позволяет повысить их прочность в рассматриваемой зоне, но в согласии с законами сохранения за пределами участка управления хаотичность пород увеличиться, а следовательно, и количество аварий. Таким образом, проблема управляемой и интенсивной добычи на Каспие возможна при принципиальном изменении отношения во взаимодействии стран региона.

Далее приводятся некоторые методические положения и программа, с помощью которой получена эта картина напряжений. Рассмотрена двухпластовая отработка нефтяного месторождения. Моделировалась ситуация в зоне работы 3-х скважин (в одной плоскости). Каждая из них обслуживает два пласта. То есть имеем по 3 зоны разуплотнения на каждый пласт. На рисунке откачка нефти производится в центре этих зон.

На рис. 5.3–5.4 деформации и напряжения в массиве донных пород, над зоной отработки двух пластов, соответственно: деформации, σх, τху, и интенсивности напряжений.

5_2.tif

Рис. 5.2. Распределение вертикальных напряжений в зоне скважины при разработке двух продуктивных пластов: 1 – ствол; 2–3 – зоны разуплотнения; 4 – устьевое оборудование; 5 – направления наклонных скважин для активизации притока нефти; 6 – относительное опускание дна по сравнению с линией дна, под которой добыча не ведётся

5_3.tif