К оглавлению	УДК 574:550.8.015
	© Л. M. Матвеенко, 1991

Возмущение недр при бурении скважин и добыче нефти

Л.М. МАТВЕЕНКО (АзНИПИнефть)

Дестабилизация недр и нарушение в связи с этим геоэкологического равновесия возможны уже при сравнительно слабых по интенсивности техногенных физических полях, формируемых по поверхности Земли в результате хозяйственной деятельности человека.

Применительно к процессам бурения скважин и нефтегазодобычи, когда вводятся в действие значительно более мощные физические поля, приближенные в пространстве литосферы к источникам геодинамических процессов, вероятность инициирования техногенных катастроф резко возрастает. На актуальность проблемы указывает и то обстоятельство, что 80 % нефтяных и газовых месторождений приурочено к территории с термодинамически неустойчивым равновесием недр, и даже в платформенных областях (Альметьевск, Якутск) недавно произошли ощутимые землетрясения.

Рассмотрим характерные виды возмущений. При бурении скважин и нефтегазодобыче идет неконтролируемый процесс стесненного набухания глин, вызываемый проникновением воды в глинистые отложения. Возникающие гидратационные напряжения достигают величин от 15 до 820 МПа в зависимости от степени увлажнения глины. Чрезвычайно высокие гидратационные напряжения не только обусловливают опасность тектонического сдвига в обширной области вокруг зоны набухания глины, но и могут привести к поднятию вышележащего массива, нарушению строений и коммуникаций, изменению рельефа территории. Для сохранения равновесия необходимо, чтобы сила гидратационных напряжений не превышала сумму сил геостатического нагружения набухающего пласта и сдвига вышележащего массива пород, что можно выразить соотношением

Где - площадь набухающих отложений в плане, км²; H - глубина залегания глинистого пласта, м; - средняя плотность пород вышележащего массива, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; - площадь боковой поверхности массива вышележащих пород (площадь сцепления массива с окружающими породами), м²; - среднее напряжение сдвига массива вышележащих пород, МПа; - гидратационное напряжение, развиваемое при набухании глинистого пласта, МПа.

Для случая аппроксимации границы глинистого пласта окружностью  тогда соотношение (1) принимает вид

где R - радиус глинистого пласта, м. Например, при R= 1000 м, H=2000 м,  2500 кг/м³, g= 9,8 м/с²,10 МПа, левая часть неравенства (2) составляет 90 МПа, что меньше максимального возможного уровня гидратационных напряжений, реализация которых приведет к поднятию массива над глинистыми отложениями. Предотвратить это нежелательное явление при бурении скважин можно, используя буровые растворы с минимальной водоотдачей с исключением гидроразрыва глинистых отложений и поглощения бурового раствора. Если же вероятность проникновения воды в глинистые отложения существует при заводнении нефтяных залежей, следует применять водоизоляционные технологии для блокировки глинистых отложений.

Аналогичны по характеру термические напряжения, развивающиеся в недрах при закачке в пласт с Целью повышения нефтеотдачи высокотемпературных теплоносителей (водяного пара и горячей воды), а также в процессе перемещения по пласту фронта горения с температурой от 250 до 600 °С. Оценить порядок термических напряжений можно с помощью компоненты тензора этих напряжений:

где- коэффициент линейного расширения, модуль Юнга и коэффициент Пуассона породы соответственно; DТ - изменение температуры. Например, при DТ=100 град, , Е=35ГПа,  получаем . Как видно, термонапряжения могут инициировать тектонический сдвиг.

Возмущение гравитационного поля и поля флюидальных давлений вызывается некомпенсированным отбором флюидов. В залежи с флюидонасыщенной толщей порядка 100 м замещение нефти газом или газа водой приводит к изменению поля гравитационных напряжений на величину порядка 1 МПа, что сопоставимо с напряжением сдвига глинистых пород.

Порядок изменения флюидного давления в залежи при разработке без поддержания пластового давления может составить 10 МПа. Оценку возмущения, вызванного этим изменением напряжения, можно получить с использованием квадратичной зависимости уменьшения напряжений с увеличением расстояния от залежи [4]. Тогда для круговой залежи, расположенной нормально направлению силы тяжести, справедливо соотношение

где- развиваемое сдвиговое напряжение (МПа) в недрах на расстоянии r (км) от залежи; S - площадь залежи, км; Dр - изменение напряжения в залежи, МПа.

Из соотношения (4) определяем, что при радиусе залежи 1 км и Dр=10 МПа на расстоянии r = 1,72 км от залежи в недрах возникает сдвиговое напряжение =2,5 МПа, причем с приближением к залежи напряжение возрастает до 10 МПа. Как видно, высокими напряжениями, достаточными для инициирования тектонического сдвига, охватывается значительная область массива пород.

Возмущения, приводящие к проседанию поверхности Земли и горным ударам на территории нефтегазодобычи, происходят при условии, если декомпрессируемая залежь располагается на глубине, где геостатическое давление достаточно высоко для пластического уплотнения породы-коллектора и в разрезе вышележащего массива пород отсутствуют отложения крепких пород, обладающих несущей способностью. В этом случае скорость проседания можно оценить [2] из выражения

где h0 - начальная толщина декомпрессируемых пород, м; - эффективное напряжение в декомпрессируемой породе, МПа; - начальная пористость и пластичность декомпрессируемой породы соответственно.

Например, при m₀=0,2, h₀=100 м и  = 10^-11/год скорость проседания составляет 8 см/год, а при  увеличивается до 40 см/год. Проседание интенсифицируется при закачке в пласт теплоносителей, кислот, щелочей, поверхностно-активных веществ, приводящих к физико-химическому разупрочнению породы декомпрессируемого пласта.

Оседания и горизонтальные смещения поверхности Земли над разрабатываемыми нефтегазоносными толщами с изменением рельефа местности и заболачиванием территории происходят, например, в Тюменской области. Охваченная этими процессами площадь составляет тысячи квадратных километров, причем величина проседания и смещения территории достигает нескольких метров [5].

В тех случаях, когда в верхней части разреза пород надзалежного массива присутствуют несущие пласты, сложенные прочными породами, и при сравнительно неглубоком залегании продуктивных пород проседания поверхности Земли не происходит. Однако при наличии тех же несущих пластов, но глубоком залегании флюидоносных пород процесс проседания может идти из-под несущего пласта, непосредственно под которым образуется полость. Полость может образоваться и вследствие выноса породы на дневную поверхность при добыче нефти и газа из неустойчивых пластов.

В результате несущий пласт, нагруженный массой вышележащих пород, зависает над полостью. Если скорость проседания массива из-под несущего пласта составляет 5 см/год, то за 25 лет добычи флюидов без поддержания пластового давления под несущим пластом образуется полость высотой 125 см. Расчет по уровню потенциальной энергии зависшего массива показывает, что при его толщине 500 м внезапное обрушение в полость на площади 1 км² приведет к горному удару с мгновенным выделением энергии величиной 12,5*10¹² Дж, что сопоставимо с энергией ощутимого землетрясения.

Несущий пласт может внезапно обрушиться в полость вследствие накопления деформаций ползучести под воздействием массы вышележащих пород или в результате возникновения геомеханического резонанса, однако вследствие исчезающей малой ползучести крепких пород существенной остается вторая причина. Аппроксимируя несущий пласт заделанной по контуру пластиной с приведенной массой, включающей массу вышележащих пород, можно получить выражение для оценки частоты собственных колебаний несущего пласта

Где - частота собственных колебаний несущего пласта, с^-1;- соответственно толщина и радиус несущего пласта, м; Е - модуль Юнга; - коэффициент Пуассона несущего пласта;-средняя плотность, кг/м³; h₁ -толщина надпластового массива пород, м.

Например, при h₁=550 м, h₂=215 м, R=500 м, , E-60 ГПа, из соотношения (6) получаем . Расчеты для широкого интервала практически распространенных условий показывают, что частоты собственных колебаний несущих пластов находятся в интервале от 1 до 10 с^-1. Для наступления геомеханического резонанса и обрушения несущего пласта необходимо воздействие внешней колебательной нагрузки с частотой, находящейся в этом же интервале. Таким возмущением могут служить геодинамические колебания Земли либо колебания давления в бурящейся скважине.

Последствием добычи нефти и газа без поддержания пластового давления является также потеря залежью способности к упругой сжимаемости и связанной с нею возможности демпфирования геодинамичёских воздействий на территории расположения флюидного месторождения - геодемпферный эффект [3]. Существует оптимальная величина уровня пластового давления, поддержание которого может понижать интенсивность проявления землетрясений и экологическую опасность разработки флюидных месторождений в сейсмичных районах.

Рассмотренные аспекты разработки нефтяных и газовых месторождений свидетельствуют об экологической опасности техногенных нарушений естественного теплового режима, геохимического потенциала, гравитационного поля флюидных залежей, а также неконтролируемого изменения в них флюидного давления. Вместе с тем следует подчеркнуть возможность исключения упомянутых нарушений путем использования существующих геотехнологий. Например, нефтевытесняющий агент может быть подобран близким к пластовой нефти по теплофизическим свойствам и плотности, а флюидное давление в залежи поддается поддержанию на заданном уровне с помощью давно освоенных промышленностью промысловых систем заводнения залежей.

Учитывая еще и существование единого гидрогеодеформационного поля Земли [1], мы должны также научиться экстраполировать в будущее последствия искусственного вмешательства в геофлюидные процессы. Осознание такой необходимости приводит к идее глобального прогноза и регулирования потребления подземных флюидов в масштабе планеты. Это, по-видимому, одна из важнейших проблем, подлежащих решению объединенными усилиями человечества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вартанян Г.С., Куликов Г.В. Гидрогеодеформационное поле Земли // Докл. АН СССР,- 1982,- Т. 262,-№ 2,- С. 310-314.

2. Матвеенко Л.М. О роли геомеханических процессов в разработке // Изв. вузов. Нефть и газ.- 1988,- № 11.- С. 36- 39.

3. Матвеенко Л.М. Геодемпферный эффект // Разведка и охрана недр.- 1990.- № 4.- С. 46-49.

4. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел.- Т. 2,- М.: Мир.- 1969.

5. Турчанинов И.А. Развитие механики горных пород в СССР / В кн.: Механика горных пород при подземном строительстве и освоении месторождений на больших глубинах.- Л.: Наука.- 1983,- С. 25-40.

Abstract

Quantitative assessments of disturbance in the subsurface caused by technogenic stresses developed in the course of drilling and oil and fas field development are made. It is shown that the failure of geological/physical potentials is therewith enough to initiate dislocation and earthquake, a change in territory topography and the onset of mountain shock.