|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
МАЗНИЦЬКИЙ АНАТОЛІЙ САВИЧ
УДК 528.482.551.525+622.1
ГЕОДЕЗИЧНИЙ МОНІТОРИНГ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ ТЕХНОГЕННОЇ ГЕОДИНАМІКИ НА РОДОВИЩАХ НАФТИ І ГАЗУ
Спеціальність 05.24.01 – Геодезія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор
Войтенко Степан Петрович,
Київський національний університет
будівництва і архітектури, завідувач кафедри
інженерної геодезії
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Островський Аполлінарій Львович, національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри геодезії;
доктор технічних наук, професор Гавриленко Юрій Миколайович, Донецький національний технічний університет, професор кафедри геоінформатики і геодезії;
доктор технічних наук, професор Черняга Петро Гервазійович, Рівненський державний технічних університет, завідувач кафедри землеустрою, геодезії та геоінформатики.
Провідна установа: Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, кафедра інженерної геодезії, Міністерство освіти і науки України, м. Івано-Франківськ.
Захист відбудеться “21” лютого 2003р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.09 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, буд. 31, ауд. 466.
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.
Автореферат розісланий 17 січня 2003р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент О.П. ІСАЄВ
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми.
Вилучення вуглеводнів із надр Землі, зміна пластових тисків, різні види впливу техногенних факторів на родовища для підтримання пластових тисків і підвищення нафтогазовидобутку порушують природний напружено-деформований стан надр, створюють передумови для виникнення потужних і навіть катастрофічних природно-техногенних (індуційованих) геодинамічних явищ, які призводять до псування і аварій систем і об'єктів облаштування, а також свердловин і комунікацій.
Вивчення і урахування динаміки деформацій масиву гірничих порід над родовищем в межах нафтоводяного або газоводяного контактів дозволяє прогнозувати негативні техногенні явища і керувати їх розвитком в процесі розробки родовища. Дана проблема розв'язана шляхом моделювання динаміки напружено-деформованого стану пласта – колектора і масиву гірничих порід, що його вміщують та земної поверхні, побудови на цій основі техногенного геодинамічного полігона та проведення на ньому високоточних геодезичних спостережень в режимі моніторингу.
Важливість і актуальність проведених досліджень і отриманих результатів визначається, по-перше, збільшенням кількості нафтових, газових і газоконденсатних родовищ, що знаходяться в розробці понад 40 років, а також наявністю довгострокової циклічної експлуатації підземних сховищ газу, що розширює географію можливого виникнення надзвичайних геодинамічних явищ природно-техногенного генезису. По-друге, все більше конкретизується спектр потенційних геодинамічних явищ на вуглеводневих родовищах, що розробляються, це віддзеркалює і характеризує реальний рівень і масштаби впливу природно-техногенних геодинамічних явищ на природно-технічні системи нафтогазового комплексу. Ці явища можуть бути досить суттєвими, різноманітними за своїми виявленнями і небезпечними для природно-технічних систем нафтогазового комплексу. Фізико-математичні моделі сучасних природно-технічних геодинамічних процесів, з урахуванням часового фактору, дозволяють оптимізувати геометрію техногенного полігона, щільність пунктів спостережень, частоту і точність їх опитування.
Дослідження, виконані на основі геодезичних методів з розробленням сукупності теоретико-методологічних підходів, моніторингу, моделювання, експертних оцінок та інших базових методів, дають відповідь на питання як необхідно прогнозувати аномальні техногенні геодинамічні явища і їх наслідки при розробці нафтових і газових родовищ та при циклічній експлуатації підземних сховищ газу.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Базовими для даної дисертаційної роботи є науково-дослідні роботи, що виконані в інституті УкрДІПРОНДІнафта. Автор дисертації був керівником і відповідальним виконавцем цих робіт, номера державної реєстрації та назви яких приводяться нижче:
- 70853763 Обобщение отечественного и зарубежного опыта маркшейдерско-геодезических работ при поисках, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений и выдача рекомендаций по его внедрению в практику работ объединения “Белорусьнефть”, 1978;
- 81059393 Разработка технической инструкции по маркшейдерским работам в нефтяной промышленности, 1981;
- 39-81-170/11 Исследование сдвижений земной поверхности на геодинамических полигонах и совершенствование методов и средств наземных и скважинных наблюдений, 1985;
- 01890036010 Изучение техногенных деформаций на геодинамическом полигоне Тенгизского месторождения, 1989;
- 39-86-23/10 Изучение современных движений земной поверхности в пределах внутренней зоны Предкарпатского прогиба и ДДв с целью использования результатов при проведении нефтепоисковых работ и оценки техногенного фактора, 1990;
- 0192U03520 Исследование влияния напряженно-деформированного состояния горных пород на газопромысловые объекты Червонопартизанского ПХГ, 1992;
- 0192U035021 Изучение техногенной геодинамики на Анастасьевско-Перекоповском геодинамическом полигоне, 1992;
- 0193V042787 Вивчення неотектонічних рухів земної кори та їх впливу на геологічну будову Бориславського нафтоносного району, 1994;
- 0193V042789 Вивчення впливу техногенної геодинаміки на герметичність експлуатаційних колон свердловин і рівноважній стан гірничих порід на Червонопартизанському й Олишівському підземних сховищах газу, 1994.
Мета і задачі дослідження. Мета досліджень полягає в методологічному обґрунтуванні, теоретичній і експериментальній розробці на сучасному науково-технічному рівні розв'язання проблеми щодо вивчення динаміки диференціації по площі осідань і деформацій земної поверхні та промислових об'єктів при розробці родовищ вуглеводнів та при циклічній експлуатації підземних сховищ газу в пористих пластах.
Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішені наступні задачі:
1. Розроблені фізико-математичні моделі напружено-деформованого стану матриці колектору та масиву гірничих порід, що його вміщують, з урахуванням зон кінематичних неоднорідностей геологічного розрізу та режимів родовищ, зокрема: водонапірного, пружного, розчиненого газу, гравітаційного.
2. Створена і експериментально обґрунтована модель фільтрації шумів і виділення корисного сигналу при виконанні високоточних нівелювань на техногенних геодинамічних полігонах та опрацюванні отриманих результатів.
3. Доведена до практичного використання модель визначення зони впливу техногенних деформацій та осідань земної поверхні, а також часу проходження амплітуди стиснення (розущільнення) порід матриці колектора до поверхні землі.
4. Оцінені показники ущільнення колектора в залежності від його товщини і варіацій числових характеристик коефіцієнтів Пуасона і модулів Юнга, а також осідань земної поверхні при різних числових значеннях згаданих параметрів для пісковикових і карбонатних колекторів.
5. Вперше розроблено науково обґрунтовану систему структурування геометричної конфігурації геодинамічного полігона, визначення щільності пунктів геодезичних спостережень, частоти і точності їх опитування в залежності від геологічної будови родовища і технологічних параметрів його розробки.
6. Створено математичну модель і програмне забезпечення розрахунку просторового положення осі стовбура свердловини з оцінкою характерної точки по координатних осях у вигляді еліпса похибок в плані і еліпсоїда в просторі.
7. Розвинено і обґрунтовано методику опрацювання результатів геодезичних спостережень, що дозволяє визначати блочну диференціацію техногенних рухів земної поверхні в межах, окреслених нафтоводяним (газоводяним) контактом.
8. Розроблені і обґрунтовані методичні основи опрацювання результатів геодезичних спостережень з урахуванням даних геологічної будови родовища та технологічними параметрами його розробки.
9. Доведена необхідність урахування новітніх рухів земної кори при опрацюванні даних високоточного нівелювання на техногенних полігонах.
10. Сформульовано теоретичні основи оптимізації обсягів закачування газу в підземні сховища та граничних пластових тисків.
11. Запропонована методика використання стаціонарного приладу для вимірювання в режимі моніторингу відносних лінійних деформацій приустьової обв'язки експлуатаційних свердловин та опрацювання отриманих результатів у вигляді просторово-часових рядів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
- Вперше обґрунтовано комплексний науковий підхід до погляду на технології вивчення техногенної геодинаміки на родовищах нафти і газу з виділенням новітніх та сучасних складових вертикальних рухів земної кори.
- Розроблено і впроваджено методику створення техногенного полігона на основі результатів фізико-математичного моделювання динаміки напружено-деформованого стану порід матриці колектора, масиву гірничих порід, що його вміщують, та поточних технологічних параметрів розробки родовища.
Теоретично обґрунтовано методологію фільтрації сторонніх шумів і виділення корисного сигналу при високоточних нівелюваннях на геодинамічних полігонах при розробці нафтових і газових родовищ.
- Розроблено алгоритм і програмне забезпечення щодо оцінки точності визначення просторового положення точок осі стовбура свердловини за даними інклінометричних вимірювань.
- Розроблена методологія кількісного визначення блочної диференціації техногенних рухів земної поверхні при нафтогазовидобуванні на основі математичного опрацювання результатів геодезичних спостережень.
- Розроблено алгоритм визначення динаміки техногенних рухів земної поверхні та їх диференціація по площі родовища в часі. Вперше отримано робочі формули щодо визначення границі осідань і деформацій земної поверхні при розробці родовищ вуглеводнів та циклічній експлуатації ПСГ в пористих пластах.
Всі наукові розробки в дисертації доведені до рівня ефективного практичного застосування при вивченні техногенної геодинаміки на родовищах нафти і газу та при циклічній експлуатації підземних сховищ газу в пористих пластах.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені теорія і методи дозволили підвищити ефективність народно-господарських робіт при розробці родовищ нафти і газу в різних регіонах України, Казахстану, Росії, а також забезпечити надійну експлуатацію об'єктів їх облаштування.
Основоположні результати досліджень дисертаційної роботи використані при розробленні нормативно-технічних документів, основними з яких є:
- Инструкция по маркшейдерским и топографо-геодезическим работам в нефтяной промышленности, РД 39-0147139-101-87, М.: Миннефтепром, 1987, 370 с.;
- Инструкция по маркшейдерским и топографо-геодезическим работам в нефтяной и газовой промышленности, РД 39-117-91, М.: Миннефтегазпром, 1992, 231 с.;
- Временная инструкция по определению пространственного положения оси ствола скважины точечными инклинометрами РД 39-4-815-82, М.: Миннефте-пром, 1983, 17 с.;
- Отраслевой стандарт. Инклинометрические измерения в скважине. Термины, определения, буквенные обозначения и идентификаторы, ОСТ 39-155-83. Миннефтепром, 1984, 9 с.;
- Инструкция по предупреждению искривления вертикальных стволов скважин, РД 39-148052-514-86, М.: Миннефтепром, 84 с.;
- Тимчасова інструкція по вимірюванню деформацій і напруги обв'язки експлуатаційних колон свердловин за допомогою ПЛДС – 400. – Київ. – 1994. – 11 с.
Результати досліджень впроваджені в Українському державному аерогеодезичному підприємстві, Національній акціонерній компанії “Нафтогаз України” та її дочірніх компаніях “Укргазвидобування” та “Укртрансгаз”, а також у Відкритому акціонерному товаристві “Укрнафта”. Результати роботи використовуються у виробничих та науково-дослідних організаціях України, Росії, Казахстану й інших країнах СНД.
Особистий внесок здобувача. Основний зміст роботи опублікований в 22 роботах. В роботі за № 1 списку праць, що наведені в авторефераті, автором написані розділи 2 – 6, 9, 10, в роботах 2 – 12, 14 – 22 участь автора полягає в постановці проблеми, формулюванні ідеї, розробці методики дослідження, моделей, відповідного комп'ютерного програмного забезпечення.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи обговорювались на науково-технічних конференціях Київського інженерно-будівельного інституту (1975 – 1979, 1984 – 1993р.р.). На засіданнях Комісії багатостороннього співробітництва академій наук соціалістичних країн з комплексної проблеми “Планетарні геофізичні дослідження” (КАПГ), в яку входили представники Болгарії, Угорщини, ГДР, Польщі, Румунії, Радянського Союзу та Чехословаччини під головуванням члена-кореспондента АН СССР Ю.Д. Буланже /Москва - 1981, 1982, 1984, 1985, 1987, 1988, 1989, 1991 роки, Рига – 1983р.; Таллін – 1986р./ На науково-практичних семінарах Республіканського Дому економічної і науково-технічної пропаганди, / Київ: 1977р. ; 1983р. ; 1986р./. На міжнародному симпозіумі з роботи підземних сховищ газу, Москва, 1995 рік; на Міжнародній науково-практичній конференції ВАТ “Газпром” “Научно-техническая информация и научно-техническая реклама – 2000”, Москва, 2000р.; на Міжнародній Третій робочій нараді “Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении”, Санкт-Петербург, 2001. У вересні 2002р. дисертаційна робота розглядалась на засіданні кафедри інженерної геодезії Одеської державної академії будівництва і архітектури.
Публікації. Наукові результати дисертацій опубліковані в 40 друкованих працях загальним обсягом понад 105 др. арк., особисто автором написано 67 др. арк. В авторефераті наведено 22 роботи (із них 2 монографії, 20 статей).
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Обсяг дисертації становить 264 сторінки тексту, 49 ілюстрацій, 20 таблиць, 5 додатків (29 сторінок). Список використаних літературних джерел містить 203 найменування (17 сторінок).
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі наведено обґрунтування актуальності теми, визначені мета, задачі і методи дослідження, наведені основні наукові результати роботи, її практична значимість і впровадження в практику.
Стан вивченості проблеми сучасної геодинаміки дозволяє зробити ряд узагальнень, зокрема: результати повторних нівелювань на великих територіях з інтервалами часу між спостереженнями в десятки років виявили досить незначні швидкості рухів, що віддзеркалюють направлений у часі характер сучасних вертикальних рухів земної поверхні. Ця особливість рухів у регіонах зі стійким режимом тектонічних процесів, останнього відрізку геологічного часу, віддзеркалює рухи земної кори цього періоду. Результати повторних нівелювань на обмежених територіях (техногенні геодинамічні полігони), з інтервалом часу між спостереженнями в перші місяці й перші роки, упевнено виявили суттєво більші швидкості рухів (на порядок більше регіональних), що мають знакозмінний короткоперіодний характер.
Поряд із геодинамічними процесами тектогенного генезису й різними формами їх проявлення, у багатьох нафтогазоносних басейнах світу надійно зареєстровані сильні й навіть катастрофічні геодинамічні явища техногенно-індуційованого генезису, що пов'язані з розробкою родовищ вуглеводнів.
В процесі опрацювання та аналізу великої кількості вітчизняної та зарубіжної літератури щодо проблем техногенної геодинаміки на родовищах нафти і газу зроблені основні висновки:
- геодезичні виміри є вирішальним фактором серед інших методів спостережень при вивченні геодинаміки взагалі і техногенної геодинаміки при нафогазовидобуванні зокрема;
- в зв'язку з актуальністю проблеми, зростанням глибин розробки нафтогазових родовищ та ускладненням технологій розробки родовищ інтерес до вивчення техногенної геодинаміки і використання комплексу геодезичних методів дослідження зростає;
- накопичено велику кількість експериментальних матеріалів та теоретичних розробок по комплексному вивченню техногенної геодинаміки з застосуванням геодезичних, геофізичних, аерокосмічних, геохімічних, інженерно-геологічних методів досліджень;
- запропоновані математичні моделі та схеми розв'язання проблеми вивчення техногенної геодинаміки на родовищах нафти і газу потребують узагальнення та розроблення найбільш оптимальних моделей в тісному зв'язку з усіма технологічними процесами нафтогазовидобутку;
- без попереднього моделювання напружено-деформованого стану і деформацій масиву гірничих порід і земної поверхні не можна оптимізувати структуру геодинамічного полігона, щільність пунктів спостережень, точність і частоту їх опитування та обґрунтовано вибрати комплекс методів спостережень.
Розроблення якісно нових методів та технологій видобування із надр Землі нафти і газу потребує адекватних розробок щодо моніторингу закономірностей просторово-часового розподілу напружено-деформованого стану гірничих порід, вертикальних рухів і деформацій земної поверхні та оцінки їх співвідношення з геологічною будовою родовища. Особливо важливим є питання щодо зміни знаку та інтенсивності рухів земної поверхні в часі, по площі над родовищем, для своєчасного створення системи захисту природних об'єктів та об'єктів облаштування нафтогазового комплексу від можливого спектра потенційно негативних промислових факторів. Тому і виникає проблема розробки нових технологій геодезичного моніторингу за станом земної поверхні над родовищем з урахуванням фізичних процесів, що протікають в масиві гірничих порід при розробці родовищ вуглеводнів.
У розділі Дослідження методів моделювання деформацій колектора та гірничих порід, що його вміщують виконано аналіз і розглянуто методи моделювання напружено-деформованого стану матриці колектора та масиву гірничих порід, що його вміщують, осідань і деформацій земної поверхні. Розроблено методи моделювання з урахуванням геологічної будови, режимів родовища і технології його розробки.
При моделюванні опускання кожної точки земної поверхні в процесі розробки родовищ нафти і газу автором використовувалась теорія деформацій суцільного та ізотропного середовищ. При цьому деформація порід колектора визначалась як функція різнокомпонентного поля напруг стиснення і тисків у порах зони техногенного аномального низького пластового тиску (ТАНАТ).
На основі виконаних теоретичних досліджень впливу модулів пружності гірничих порід та їх комбінацій на геодеформаційні характеристики порід, отримані важливі залежності щодо деформацій земної поверхні для пісковикових та карбонатних колекторів, рис. 1, 2.
При розрахунках ущільнення колектора приймались наступні комбінації характеристик модуля Юнга і коефіцієнта Пуасона: 1) , , , - максимальні; 2) , - максимальні;, - мінімальні; 3) , - мінімальні, , - максимальні; 4) , , , - мінімальні (k – для колектора, i – для вміщуючих порід).
Числові значення деформацій порід колектора і земної поверхні в межах фактичного положення водонафтового контакту (ВНК) визначались для кожної свердловини. За межами ВНК, і до границі зони впливу розробки, для визначення осідання земної поверхні запропоновано метод і отримана робоча формула, яка має кінцевий вигляд
, (1)
де - осідання земної поверхні в точці, яка задана полярними координатами;
, - дирекційний кут направлення на дану точку і відстань до неї;
- максимальне осідання земної поверхні;
, - ущільнення та стиснення порід колектора (зони ТАНПТ);
 ,  - коефіцієнти долі ущільнення і стиснення порід колектора (зони ТАНПТ), при цьому
(2)
Для визначення часу проведення чергового циклу геодезичних моніторингових спостережень на геодинамічному полігоні необхідно знати час (t) за який амплітуда лінійного стиснення і ущільнення колектора (зони ТАНПТ) досягне земної поверхні. Отримана робоча формула визначення часу (t) має вигляд
, (3)
де (4)
В формулах (3), (4) розмірність параметрів дається: глибина залягання продуктивного пласта –  D [см]; п'єзопровідність – [см2/сек]; проникність –  [дарсі, 1,02 . 10-12м2]; модуль об'ємного стиснення пласта – [ат]; початкова товщина пласта – [см]; дебіт свердловини – [м3/добу]; а – показник ступеню [а=1,423].
У розділі Геодезичні та інші методи спостережень за техногенною геодинамікою розроблені основні принципи побудови геодезичних мереж на техногенних геодинамічних полігонах. Виключна увага приділяється дослідженню та розробленню методів урахування впливу на стійкість вихідних і робочих пунктів спостережень таких чинників як варіації рівнів ґрунтових вод; посторонні шуми при високоточних нівелюваннях на геодинамічних полігонах; новітні рухи земної кори і т. ін.
Експлуатаційні свердловини і обсяги видобутої через них сировини, є першоджерелом техногенної геодинаміки. Тому при її вивченні необхідно якомога більш точно знати місцеположення вибою, або іншої характерної точки осі свердловини відносно точок геодезичної мережі. Здобувачем розроблено й реаліховано алгоритм і комп'ютерну програму визначення похибки просторового положення заданих точок осі стовбура свердловини.
Точність положення точки на площині найбільш повно характеризується кореляційною матрицею похибок другого порядку, в просторі – кореляційною матрицею третього порядку, яким при нормальному розподілі похибок вимірювань відповідають еліпс і еліпсоїд похибок.
Випадкові похибки вимірювання кута і магнітного азимута  в точці  та довжини інтервалу між точками  та  приводять до системи векторіальних похибок (рис. 3), що виникають в точці 
де , , - векторіальні похибки, що діють в точці; - кут між прямовісною лінією та дотичною до осі свердловини в точці  ; - випадкові середні квадратичні похибки вимірювання кута відхилення від вертикалі, азимута та довжини інтервалу.
Враховуючи, що лінії дії векторіальних похибок (4) взаємно перпендикулярні, проекції їх на осі координат запишуться
де - дирекційний кут горизонтальної проекції інтервалу, що дорівнює півсумі магнітних азимутів, заміряних на кінцях інтервалів і виправлених на величину магнітного схилення і зближення меридіанів.
Позначимо через вектор – рядок проекції всіх вертикальних похибок на вісь, тобто
(6)
через і - вектори – рядки проекцій тих же похибок на координатні осі та, а через - матрицю, рядками якої є лінійно незалежні вектори, ,.
Тоді матриця похибок, яка характеризує похибку положення вибою або точки 
(7)
де - матриця, транспонована відносно вихідної матриці.
З урахуванням (5) елементи матриці (7) в розгорнутому вигляді будуть
Півосі сумарного одиничного еліпсоїда визначаються
(9)
де - особисті числа матриці, які знаходяться з рішення характеристичного рівняння
(10)
Поскільки матриця  симетрична і позитивно визначена, то >  ,. Значення повинні задовольняти умовам
де - слід матриці, тобто сума діагональних елементів, а - визначальник матриці.
Кути, що визначають положення півосі  в системі координат, знаходимо з вирішення системи рівнянь
(11)
(12)
Імовірність попадання вибою або іншої точки  осі свердловини в одиночний еліпсоїд дорівнює 0,2. Імовірність попадання точки  в еліпсоїд  , подібний до одиночного і однаково з ним орієнтований визначається
(13)
Осі подібних еліпсоїдів пропорційні. Коефіцієнт пропорційності
(14)
де - півосі еліпсоїда, імовірність попадання в який розраховується; - півосі сумарного одиничного еліпсоїда.
Визначивши параметри одиночного еліпсоїда і задаючись імовірністю знаходимо значення, а потім із співвідношення (14) визначаємо півосі еліпсоїда  . В загальному вигляді він може бути зорієнтований в просторі так, що півосі і не лежать в горизонтальній площині, а півось  не паралельна осі. Тоді проекція на горизонтальну площину і півосі на вісь виразяться за формулами
Виділення окремих блоків земної поверхні за чисельними значеннями параметрів техногенних рухів на основі результатів геодезичних спостережень є важливим, як для уточнення подальшої стратегії розробки та облаштування родовища, так і для планування геодезичного моніторингу. Математична модель локалізації динамічно нестійких ділянок над родовищем, прогнозування зон критичних деформацій земної поверхні реалізується при наявності координат І-ї та ІІ-ї епох спостережень
(17)
(18)
| 
