СПОСОБ ОХРАНЫ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ПОСЛЕДСТВИЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ, ИНИЦИИРОВАННЫХ РАЗРАБОТКАМИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА
METHOD OF SURFACE FACILITIES PROTECTION FROM CONSEQUENCE OF DEFORMATION PROCESSES INITIATED BY DEVELOPMENT OF OIL AND GAS DEPOSITS

Изобретение относится к нефте- и газодобывающей промышленности, может быть использовано при оценке последствий эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа, нефтепродуктов, рассолохранилищ, а также при подземном извлечении метана из угольных пластов, геотехнологических способах разработки месторождений, выщелачивании, подземной газификации и т.п.
Известен способ геодинамического районирования участка земной коры по патенту РФ №2065189, МПК G01V 11/00, опубл. 10.08.1996 г., согласно которому на выбранном участке земной коры проводят геолого-геофизические исследования, тектонофизические измерения, определяют физико-механические свойства горных пород, дополнительно измеряют в выделенных блоках величину максимального горизонтального сжатия в коренных породах и величину прочности пород на одноосное сжатие, затем сравнивают полученные величины с теоретически рассчитанными, устанавливают тип участка земной коры, измеряют выраженную в рельефе исследуемого участка амплитуду разломов и угол, образуемый ими с площадками максимальных касательных и нормальных напряжений, по величинам которых определяют категорию активности разломов, определяют фазу развития разломов, по которой оценивают степень их нестабильности, и по полученным данным районируют участок земной коры.
Способ дает возможность снизить экологическую нагрузку на район месторождения за счет выделения активных разломов и избирательного расположения эксплуатационных скважин, однако оценить опасность этих разломов и вероятность их активизации при разработке месторождений нефти и газа, эксплуатации подземных хранилищ и др. не позволяет.
Известен способ извлечения метана из угольных пластов по патенту РФ №2136850, МПК Е21В 43/00, Е21В 43/30, опубл. 10.09.1999 г., который позволяет установить возможность миграции флюида в зонах активных разломов, определяемых границами геодинамических блоков с учетом гониобазисных, базисных и других поверхностей различного порядка, линеаментов и т.п. Однако этот способ не дает возможности оценить последствия воздействия извлечения метана на здания и сооружения, находящиеся на поверхности.
Этот недостаток характерен и для способа извлечения метана из пластов угольных месторождений по патенту РФ №2322586, МПК E21F 7/00, Е21В 43/27, опубл. 20.04.2008 г., также использующего технологии выделения блочного строения и его учета при эксплуатации метаноугольного месторождения.
-5
-6
-5
-5
Необходимо отметить, что в настоящее время фактор «геодинамическая опасность» определяется рядом признаков (их около десятка), приведенных, например, в работе «Методическое руководство по обеспечению геодинамической безопасности трубопроводной системы Восточная Сибирь - Тихий океан при ее строительстве и эксплуатации», изд. МинЭнерго РФ, РАН, ОАО ВНИМИ, СПб., 2006 г., 50 с. Но и в этом источнике не упоминаются суперинтенсивные короткопериодичные относительные деформации порядка 3·10-3·10, происходящие со скоростью около 50-70 мм в год, которые зачастую обусловлены не тектонической активностью, а интенсивной добычей флюида (нефти, газа и т.п.) и автоколебательными процессами в массиве и, к тому же, обнаруживающиеся в зонах платформенных асейсмических разломов, не картируемых при геодинамическом районировании (см., например, Н.А.Касьянова, Ю.О.Кузьмин «Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса», Геоинформмарк, М., 1996 г.). В статье А.Бедерова и др. «Современная аномальная геодинамика недр - новый фактор экологического и страхового риска», журнал «Страховое дело», март 1997 г., стр.28-30, указывается на возможность возникновения чрезвычайно высоких величин среднегодовых скоростей деформаций массива порядка 2·10-7·10 в год, но не обосновываются способы определения опасности активизации в активных разломах и выбор методов организации геодинамических полигонов и проведения технологических мероприятий при выявлении значений деформаций, опасных для зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния объекта, например тектонического нарушения. При этом в обоих вышеупомянутых источниках не рассматриваются причины явления суперинтенсивных короткопериодичных деформаций.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ охраны наземных объектов от последствий деформационных процессов путем создания геодинамических полигонов, приведенный в «Инструкции по производству маркшейдерских работ», РД 07-603-03 (далее - Инструкция), гл.6, п.262-264, предусматривающий горно-геологическое обоснование для создания геодинамического полигона, в том числе включающий изучение геологического строения месторождения (в том числе гидрогеологические и геокриологические исследования); выявление тектонических нарушений на территории расположения указанных объектов; изучение текущих параметров разработки месторождений; изучение закономерностей изменений гравитационного и магнитного полей при нарушении динамического равновесия горного массива; изучение напряженно-деформированного состояния скелета коллектора и вмещающих его пород и всей толщи горного массива над залежью в неравнокомпонентном поле сжимающих напряжений; предрасчет значений деформаций земной поверхности; количественную оценку горизонтальной и вертикальной составляющих векторов сдвижения в исследуемых точках путем заложения геодинамических полигонов (наблюдательных станций) и постановки маркшейдерско-геодезического мониторинга деформационных процессов, при том, что частоту заложения реперов по линиям наблюдений принимают равной 300-500 м, а в зоне предполагаемых тектонических нарушений реперы закладывают через 100 м, интервал между реперами вдоль коридора подземных коммуникаций устанавливают равным 100 м, а наблюдения прекращают, когда в течение последних двух-трех измерений, выполненных после прекращения разработки месторождения и периода опасных деформаций, значения горизонтальных и вертикальных подвижек соизмеримы с погрешностями измерений.
Этот способ имеет существенный недостаток в том, что его применение на практике оказывается весьма не эффективным, т.к. приобретение оборудования и проведение наблюдений на геодинамическом полигоне высокозатратны, а проявление негативного влияния добычи нефти и газа или эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) и т.п. не всегда приводят к деформациям, распространяющимся до поверхности или оказывающим влияние на поведение скважин и иного подземного оборудования. В частности, при эксплуатации небольших месторождений, например в Поволжье или Оренбургской области, появление опасных деформаций маловероятно, поэтому опережающее создание геодинамических полигонов и проведение наблюдений на них является нецелесообразным. При этом собственно деформации земной поверхности не всегда являются следствием разрушения подземных объектов, но часто причиной их возникновения являются высокие амплитуды, различная периодичность и направленность векторов перемещений (см. Сашурин А.Д., Ручкин В.И., Панжин А.А. и др. «Мониторинг напряженно-деформированного состояния верхней части коры на шахте Сарановская-Рудная», «Проблемы геотехнологии и недроведения» (Мельниковские чтения), Доклады Международной конференции 6-10 июля 1998 г., Екатеринбург, УРО РАН, 1998 г., стр.192-198).
Изобретение решает задачу повышения эффективности и безопасности эксплуатации месторождений нефти, газа, ПХГ и иных объектов, разрабатываемых скважинными способами, за счет своевременного прогноза развития вызываемых ими на поверхности деформационных процессов.
Техническим результатом применения заявленного изобретения является повышение надежности и достоверности результатов последующих наблюдений за счет увеличения объективности данных о местоположении наиболее вероятных деформаций, а также существенное снижение затрат на необоснованное строительство наблюдательных станций при оборудовании геодинамических полигонов и проведение наблюдений на них.
-5
Технический результат достигается тем, что до начала эксплуатации месторождения или подземного хранилища углеводородного сырья осуществляют комплексные горно-геологические исследования в районе охраняемого объекта, включающие изучение геологического строения месторождения, в том числе гидрогеологические и геокриологические исследования, выявляют тектонические нарушения на территории расположения указанных объектов, определяют текущие параметры разработки месторождения, изучают закономерности изменений гравитационного и магнитного полей при нарушении динамического равновесия горного массива, исследуют напряженно-деформированное состояние скелета коллектора и вмещающих его пород и всей толщи горного массива над залежью в неравнокомпонентном поле сжимающих напряжений, производят предрасчет значений деформаций земной поверхности, затем согласно способу выявляют области высоких современных относительных деформаций, по среднегодовой скорости превышающих 3·10, осуществляют геодинамическое районирование территории предполагаемой эксплуатации упомянутых объектов, включающее выделение блочной структуры массива горных пород и разломов и выполняемое на основе дешифрирования аэро- и космоснимков и морфоструктурного анализа базисных, вершинных, гониобазисных и других поверхностей различных порядков, получаемых по топографическим картам разных масштабов, с последующим их сопоставлением с данными всего комплекса имеющихся геологических, геофизических и геодинамических данных, по результатам которого выделяют и картируют начальное (до начала эксплуатации) положение высот рельефа и его характерных особенностей, в том числе линеаментов, зон мегатрещиноватости, локальных антиклинальных и синклинальных структур, неотектонически активных антиклинальных дислокации и активных разломов, определяют знак и амплитуду общих тектонических движений и других показателей, изменяющихся при деформировании или смещении толщ пород при последующей эксплуатации охраняемых подземных объектов, в ходе которой не менее 2-х раз в год повторяют съемки участка эксплуатации с помощью аэро- или космоснимков, их обработку и картирование расположения вышеприведенных показателей и сравнение их количества, расположения, параметров и изменения направления ориентации векторов деформаций с аналогичными показателями, имеющимися до начала эксплуатации, а создание геодинамического полигона начинают только после превышения геоморфологических показателей, полученных по результатам очередной аэро- или космосъемки, по сравнению с аналогичными показателями, полученными до начала эксплуатации объекта, не менее чем на 10%, при этом закладку станций реперов полигона и наблюдения за их сдвижениями начинают в зонах динамического влияния активных разломов и в областях высоких современных относительных деформаций, и только после достижения на станциях реперов значений деформаций, соответствующих опасным для зданий и сооружений в зоне влияния, применяют технологические мероприятия по усилению конструкций зданий и сооружений или прекращению эксплуатации подземного объекта.
Другим отличительным признаком является то, что амплитуду и знак общих тектонических движений и изменение параметров гониобазисных поверхностей оценивают с помощью системы глобального позиционирования GPS или системы спутниковой навигации Глонасс на основе дифференциального метода определения координат, при этом по меньшей мере один приемник системы располагают вне зоны влияния эксплуатации охраняемого объекта, а по меньшей мере три других приемника располагают на площади объекта, при постоянном определении их координат вычисляют направление ориентирования вектора деформаций по парным отрезкам, ограниченным пунктами, оборудованными приемниками системы, выделяют период начала возникновения опасных деформаций и смещений, после чего принимают решение о создании геодинамического полигона.
Кроме того, на участках охраняемого объекта, определяемых как зона динамического влияния разлома (ЗДВР), осуществляют периодическую геохимическую съемку, и при появлении аномального количества, превышающего не менее чем на 10% фоновый показатель, выделений таких газообразных химических веществ и соединений, как гелий, водород, радон или углекислый газ, оценивают эти зоны, как зоны активного динамического влияния разлома, подверженные техногенному воздействию разработки, после чего принимают решение о создании геодинамического полигона.
При этом под зоной динамического влияния разлома (ЗДВР) понимают часть окружающего разлом во всех трех измерениях пространства, на котором проявляются остаточные (пластические или разрывные) и упругие следы деформаций, вызванные формированием разлома и подвижками по нему, а областью активного динамического влияния разлома считают часть окружающего разлом в трех измерениях пространства, на котором проявляются остаточные деформации.
Под линеаментами понимают наличие спрямленных элементов гидросети, цепочек озер, спрямленных элементов микрорельефа, например прямолинейных уступов, границ возвышенностей и впадин, прямолинейных краев заболоченных понижений, границ лесных массивов и других.
Сущность изобретения заключается в учете целого ряда закономерностей и особенностей, сформировавшихся при исследованиях геодинамических и геомеханических процессов при разработке и эксплуатации месторождений, прежде всего углеводородного сырья и иных месторождений, и подземных хранилищ газа (ПХГ), эксплуатируемых с применением скважинных технологий.
Необходимость создания геодинамических полигонов при любом освоении новых месторождений указывается в прототипе, то есть в «Инструкции по производству маркшейдерских работ» РД 07-603-03. Однако создание и организация наблюдений на таких полигонах затратны и, зачастую, бессмысленны, поскольку последствия разработки месторождений углеводородного сырья не являются аналогичными последствиям от шахтной разработки, а извлекаемый флюид не приурочен к конкретным площадям и геомеханическим процессам, связанным непосредственно с его извлечением и влияющим на деформационные процессы на поверхности. Эти процессы могут происходить как довольно интенсивно (вызывая осадки примерно до 3 м), так и никак не проявляться. Например, на Астраханском месторождении газа и конденсата при создании и наблюдениях на геодинамическом полигоне, соответствующем требованиям Инструкции, не получены значения деформирования поверхности, превышающие точность измерений. Кроме того, методы, изложенные в прототипе, не учитывают наличие зон суперинтенсивных деформаций, обусловленных целым рядом причин и проявляющихся даже в асейсмических районах без техногенного воздействия.
Предлагаемое изобретение позволяет заблаговременно, до начала существенных деформационных процессов, определить наиболее вероятные места их проявления, установить оптимальные места закладки станций геодезических наблюдений (геодинамического полигона) и, тем самым, существенно повысить надежность и достоверность результатов последующих наблюдений. Для этого вместо дорогостоящих геодезических наблюдений, интерпретация которых достаточно неоднозначна, предложено получать и сравнивать масштабную информацию об изменениях в рельефе, вызываемых техногенным воздействием, связанным с эксплуатацией подземного объекта, а затем при появлении значительных отклонений (например, более 10% от начального изменения) в количестве и размерах линеаментов и ориентации геоморфологических признаков оценивать их традиционными геодезическими методами, но в местах их явного проявления, а не по всей, зачастую весьма значительной, площади месторождения. Значение коэффициента вариации, равное 10%, обусловлено принятой точностью определения физико-механических параметров изменения свойств массива горных пород.
Способ поясняется чертежами, где на Фиг.1 показана динамика изменения положения границы вала в общей геодинамической увязке с геологическим положением примыкающих месторождений, наличием геологических нарушений и гониобазисных поверхностей 2 и 4-го рангов, построенных по топографическим и аэрофотоматериалам, в частности на примере месторождения «Коммунарское», до начала разработки месторождения (линия 1) и после 10 лет его разработки (линия 2); на Фиг.2 - то же, уточненные результаты построений непосредственно для района указанного месторождения; на Фиг.3 показана схема расположения пунктов установки GPS-приемников относительно элементов рельефа (в частности, линеаментов).
Способ осуществляют следующим образом.
-5
На основе разнопериодных (до начала эксплуатации месторождения или подземного хранилища углеводородного сырья и в процессе его эксплуатации) дистанционных комплексных горно-геологических и картографических исследований в районе охраняемого объекта с применением приемов, известных в геоморфологии и морфометрии, оценивают масштабы изменения ландшафта за период разработки месторождений нефти и/или газа, включая добычу метана из угольных пластов, эксплуатации подземных хранилищ и разработки подземных ископаемых методами геотехнологии (например, скважинными). Затем выявляют области высоких современных относительных деформаций, по среднегодовой скорости превышающих 3·10, например, за последние 10-15 лет, и осуществляют геодинамическое районирование территории эксплуатации охраняемого объекта. При выявлении существенных (в частности, свыше 10%) изменений в ландшафте периодически (например, не менее 2-х раз в год) уточняют масштаб деформирования земной поверхности под техногенным влиянием с применением космо- или аэрофотосъемки, а также глобальных навигационных спутниковых систем позиционирования GPS или Глонасс (активно развивающейся в последнее время в России системы) и геохимических методов. При продолжающемся развитии процессов деформирования в зонах, определенных как подверженные техногенному воздействию разработки, оборудуют станции геодинамического полигона, а мероприятия по охране наземных зданий и сооружений начинают после достижения опасных значений деформаций на наблюдательных станциях геодинамического полигона.
Дополнительным критерием необходимости создания полигона может служить сравнение результатов периодических геохимических исследований, когда в зонах динамического влияния разлома обнаруживают выделение аномального количества, превышающего не менее чем на 10% фоновый показатель, газообразных химических веществ и соединений, например гелия, водорода, радона или углекислого газа, которые оценивают и картируют как зоны активного динамического влияния разлома, подверженные техногенному воздействию разработки.
Заявленный в изобретении способ охраны наземных объектов от последствий техногенного воздействия разработки месторождения нефти или газа с помощью заложения геодинамического полигона на наиболее целесообразных участках, с применением дистанционных и геоморфологических методов, успешно зарекомендовал себя в ряде промышленных прогнозов, в разработке которых принимали участие авторы заявленного изобретения.
В то же время, если наблюдательная станция, спланированная по критериям ожидаемых максимальных деформаций, окажется вне зон влияния добычи в силу перетоков нефти и газа между пластами, слоями и участками с различной проницаемостью, то есть локальности извлечения флюида, то при производстве наблюдений на ней можно и не получить объективной информации о характере развивающихся деформационных процессов. Причем обнаружение процесса сдвижения пород тем более осложняется в случае закачки воды (в том числе с поверхностно-активными веществами) в качестве мероприятий по поддержанию пластового давления. Изменения в рельефе и его характерных параметрах, о чем говорилось выше, позволяют в масштабе месторождения выявить начало влияния и оконтурить области начала первоочередных наблюдений при формировании и реализации проекта геодинамического полигона.
При подробной геодинамической изученности месторождения и знаний области аномально высоких деформаций земной поверхности, если они есть, в качестве дополнительного мероприятия весьма эффективен предлагаемый в заявленном изобретении способ оценки деформаций земной поверхности с помощью системы глобального позиционирования GPS или системы спутниковой навигации Глонасс, основанный на применении дифференциального метода определения координат, при котором в характерных точках, приуроченных к областям активных разломов или аномально высоких деформаций, размещают по меньшей мере три (а наиболее оптимальным с точки зрения дальнейших построений является четыре) снабженных GPS-приемниками пункта с периодически определяемыми координатами, высотными отметками и сравнительными удалениями друг от друга, а другие аналогичные пункты (например, по меньшей мере один, хотя оптимальным является два и более) считают неподвижными и располагают вне областей техногенного влияния активных разломов и аномально высоких деформаций.
В принципе, возможно обойтись и одним пунктом, находящимся вне зоны влияния эксплуатации охраняемого объекта, но наличие второго пункта контролирует данные, получаемые по первому, увеличивает достоверность и точность определения ориентации векторов сдвижения. Данные контроля за изменением их положения позволяют обосновать необходимость создания геодинамического полигона для получения более точных данных об опасных деформациях, и затем, после их подтверждения, проведения технологических мероприятий по устранению опасности.
Еще более уточняют начальный этап активизации сдвижений появление аномальных для участка, приближенного к зонам активных разломов, значений количества выделяемых газообразных химических элементов и химических углеводородных соединений, превышающих фоновые не менее чем на 10%. В настоящее время наиболее научно обоснованы гелиевая, радоновая (в частности, в местах залегания радиоактивных пород), водородная и другие методики выделения геохимических аномалий при съемках на поверхности (см., например, Смирнов С.П., Гончаров Е.В, Антонов О.М. Перспективные методы реализации функций и задач маркшейдерской службы на современном этапе, «Маркшейдерский вестник», №3, 2005 г., стр 7-11).
-5
Для примера реализации заявленного способа приведены данные, полученные для конкретного «Коммунарского» нефтяного месторождения. На чертежах (фиг.1 и 2) угол α указывает на существенный разворот гониобазисного контура структурного вала, произошедший за рассматриваемые 10 лет. Его положение свидетельствует о необходимости продолжения уточнений масштабов негативных техногенных влияний. На фиг.3 представлены результаты уточняющих исследований по линеаментному анализу с применением спутниковых систем и газовых (геохимических) съемок. Так, для отслеживания возможных суперинтенсивных деформаций земной поверхности у добывающих скважин закладывают и оборудуют приемниками GPS пункты 1, 2, 3 и 4 (см. фиг.3). На основе оценки первичных данных, полученных с использованием системы GPS, выявляют зоны суперинтенсивных деформаций, по среднегодовой скорости превышающих 3·10 за последние 10 лет, и осуществляют геодинамическое районирование территории эксплуатации охраняемого объекта. Зоны суперинтенсивных деформаций можно определять, например, с помощью методики, изложенной в работе Сашурина А.Д., Ручкина В.И., Панжина А.А., Дубовика В.В. Мониторинг напряженно-деформированного состояния верхней части земной коры на шахте Сарановская-Рудная // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Доклады Международной конференции 6-10 июля 1998 г. - Екатеринбург, УрО РАН, 1998. - С.192-198.
1
1
Для конкретного месторождения данные зоны не обнаружены, однако пункты для последующих наблюдений сохранены вместе с базисными пунктами I и II, которые считают пунктами, находящимися вне зоны влияния сдвижения при извлечении нефти из запасов месторождения. Разработка месторождения велась интенсивно при том, что оно являлось многопластовым, и разрабатывались четыре продуктивных пласта. Обращает на себя внимание то, что построение, выполненное по итогам аэрофотосъемок последних лет, существенно скорректировало положение 1 структурного вала 4 порядка и развернуло его ориентировку в положение 2, т.е. с α≈30° до α≈50°, что превышает упомянутые 10% и свидетельствует о техногенном воздействии отработки месторождений «Коммунарское», «Южно-Спиридоновское», «Тананыкское». Для уточнения места и масштаба техногенного воздействия осуществляют детальную съемку на территории наиболее интенсивно разрабатываемого «Коммунарского» месторождения.
На карте территории месторождения выявили и построили линии 5, 6, 7, 8, 9 линеаментов до начала его отработки и сравнили с положением линий 10, 11, 12, 13 и 14 линеаментов в настоящее время. Кроме того, оценили динамику движения пунктов 1, 2, 3 и 4 и получили их положение 15, 16, 17 и 18 в настоящее время (см. фиг.3).
При наблюдении в течение года зимой и летом обозначилось разрастание по площади зоны у линеамента 6, что можно объяснить, например, активизацией роста зеленых насаждений и заболачивания.
Пункты 1, 2, 3, 4 с приемниками GPS были заложены в наиболее опасных по предварительным расчетам деформаций местах, а их точность подтверждалась связью с пунктами I и II, находящимися вне зоны влияния отработки месторождения. Наблюдения за пунктами 15, 16, 17, 18 показали изменение их положения на 0,002-0,003 м в координатах GPS, что при реальном расстоянии между ними 1500-2000 м не превышает относительных деформаций, опасных для зданий и сооружений, а именно 0,001-0,002 м. Кроме того, в начале исследований рядом с упомянутыми пунктами GPS 1, 2, 3, 4 были отобраны геохимические газовые пробы для оценки содержания гелия, радона и водорода, а через год эти исследования были повторены по той же методике.
Изменения по содержанию гелия, радона и водорода в грунтовых пробах у пунктов 19 и 20 показали превышение более чем на 10% по 2-м параметрам - «гелий» и «радон». Изменения пробы водорода не превышали 10%, что можно считать случайным результатом. В результате наблюдений было принято решение отложить закладку станций геодинамического полигона еще на 1 год, а к первоочередным участкам наблюдений отнести линию между пунктами GPS 1 и 2, секущую контуры линеаментов 5, 6, 7 и 8, но, вместе с тем, предусмотреть мероприятия по усилению и компенсации на эксплуатируемых трубопроводах, расположенных в этой зоне.
Таким образом, предлагаемый способ охраны наземных объектов от последствий техногенного воздействия разработки месторождения нефти или газа с помощью заложения геодинамических полигонов позволяет, прежде всего, повысить надежность и достоверность результатов последующих наблюдений за счет увеличения объективности данных о местоположении наиболее вероятных деформаций. При этом существенно снижаются затраты на необоснованное строительство наблюдательных станций при оборудовании геодинамических полигонов и проведение наблюдений на них, что дает возможность повышения эффективности и безопасности эксплуатации месторождений нефти, газа, ПХГ и других подобных объектов благодаря своевременному прогнозу развития вызываемых ими на поверхности деформационных процессов.