Description:

"Геомеханическое поведение перекрывающих пород над углеводородным резервуаром: какие прогнозы можно делать из опыта угольной промышленности? Geomechanical behaviour of the overburden above compacting hydrocarbon reservoirs: what would we predict from coalmining experience? N.R. Goulty Наблюдаемые проседания, вызванные проходкой забоев в угольной промышленности, и временные сейсмические профили над действующими горными выработками указывают на особенности геомеханики перекрывающих пород, запечатывающих углеводородный резервуар. Предполагается, что проседание на земной поверхности или морском дне составляет до 90% от вертикального уплотнения резервуара. Напряжение прогибания, вероятно, существует во всяком большом объеме перекрывающих пород над уплотненным резервуаром, если перекрывающие породы содержат мощные слои плотных прочных осадочных пород. Восприимчивость сейсмической скорости к протяженным вертикальным напряжениям, вероятно, должна быть высокой при временных сейсмических исследованиях, так как проседание вызывает необратимое разрушение структуры пород с развитием дополнительных трещин и микротрещин. Другие наблюдения, согласующиеся с предполагаемым поведением проседания в течение разработки каменноугольных пластов, представляют затруднения, испытанные при длительном проведении бурения на Valhall, и большое различие акустических скоростей между интенсивно напряженными и нормально напряженными внутри резервуарными юрскими сланцами очень однородной объемной пористости на Halten Terrace, прибрежная зона средней Норвегии. В угольных забоях размер камер имеет обычно 200 м в ширину (длина рабочего забоя) и 1 км в длину, а вертикальная мощность извлекаемого угля составляет порядок 1.0-2.5 м. Так как забой продвигается вперед, допускается, что перекрывающие породы обрушаются за ним (рис. 1). Кровля обрушается на больших участках и образует завалы. Обычно существует переходная зона интенсивно раздробленных пород под более жесткой основной кровлей, оторванных от нее и вынужденных лежать на завале. Основная кровля проседает в виде пологого сигмоидального изгиба, возможно с разрывом пластов, существующим вблизи мест перегиба на плоскостях слоев. Эта статья суммирует наблюдения проседания в горных выработках над действующими забоями, включая временные сейсмические наблюдения методом отраженных волн, и рассматривает роль геомеханики перекрывающих пород и временных сейсмических исследований над уплотненными углеводородными резервуарами. Важный вывод заключается в том, что уменьшение сейсмической скорости, связанное с напряжениями растяжения, обусловленными проседанием, является следствием необратимого разрушения структуры породы. Этот вывод сомневаться в обычном объяснении, что такое уменьшение скорости в перекрывающих породах над уплотненным резервуаром является обратным упругим откликом на уменьшенное эффективное напряжение. Проседание в открытых угленосных бассейнах Большая часть нашего понимания о проседании при горных разработках в Великобритании идет от наблюдений на открытом участке угольного месторождения East Pennine (Wardell, 1954; National Coal Board, 1975), где Westphalian B угленосная свита верхней каменноугольной системы вскрыта скважиной под маломощными перекрывающими породами четвертичных ледниковых отложений. Угленосная свита преимущественно содержит слои глинистых сланцев, которые не способны выдержать нагрузку в течение проседания. Представлены также песчаники, но они существенно не влияют на поведение проседания, в основном из-за того, что они не являются достаточно мощными и достаточно прочными, чтобы служить мостом через зону обрушений над забоем. Эмпирические методы предсказания напряжений и проседания поверхности разработаны National Coal Board (1975) на основании 165 примеров из практики наблюдений над действующими забойными камерами на глубине порядка 100-900 м. В большинстве случаев эмпирические методы предсказывают размер проседания поверхности с точностью ±10%. Рис. 2 Верхний: сплошная линия — кривая предсказанного полного проседания над концом действующего забоя, предполагающая, что разработка распространяется на расстояние, по крайней мере, 1.4 h в плоскости профиля; пунктирная линия — кривая активного проседания, наблюденная в течение продвижения вперед угольного забоя. Когда забой останавливается, имеет место в течение нескольких месяцев остаточное проседание, равное разнице между кривыми полного проседания и активного проседания. Нижний: предсказанное продольное горизонтальное напряжение на поверхности над концом действующего забоя при тех же условиях. Максимальные напряжения составляют обычно несколько тысячных. Главные результаты касаются максимального размера проседания и отличительных особенностей "активного" и "остаточного" проседания. Максимальное проседание над центром забойной камеры фиксированной ширины развивается тогда, когда отношение ее длины l к ее ширине h достигает 1.4. Существует горизонтальное напряжение растяжения над краями камеры и компенсирующее напряжение сжатия внутри зоны, расположенной непосредственно над камерой. Продольное горизонтальное напряжение (т.е. в направлении продвижения забоя) на поверхности земли над центром камеры достигает нуля, когда l/h превышает 1.4 (рис. 2). Активное проседание, существующее, пока ведется добыча угля, может быть смоделировано как вязкоупругий отклик с временной константой в днях (Goulty and AlRawahy, 1996). Остаточное проседание, которое имеет место после того, как остановятся работы в забое, локализуется в области над концом камеры (рис. 2). Максимальное значение остаточного проседания составляет 20% от максимального проседания и имеет место на расстоянии 0.23h за концом камеры. Остаточное проседание происходит как вязкоупругий отклик с временной константой в месяцах (Goulty and Al-Rawahy, 1996). Сопоставление рис. 1 и 2 подсказывает, почему существует отличие между поведением активного и остаточного проседания. Остаточное проседание имеет место над зоной непосредственно за камерой, где пласт кровли является объектом сигмоидального искривления, связанного с напряжением горизонтального сжатия. Возможное максимальное проседание на поверхности, вызванное разработкой особенно тонких пластов, означает величину проседания, которое бы имело место в точке на поверхности, если бы вся область тонкого пласта радиусом 0.7h под этой точкой была выработана. Рис. 3 показывает максимальное проседание, выраженное в показателях мощности тонкого пласта как функция ширины и глубины, h, забойной камеры. Предполагается, что длина камеры больше 1.4h. Возможное максимальное проседание составляет 0.9 мощности тонкого пласта. Не существует крупномасштабного напряжения изгибания над действующими забоями на открытых угленосных месторождениях. Локальное напряжение изгибания наблюдается над концом забойной камеры, но ослабляется с временной константой в месяцах. Пустоты, оставшиеся в завале за забойной камерой и непосредственно в зоне кровли над обрушением, составляют 10% мощности тонкого пласта, где существовало возможное максимальное проседание. Дополнительно 10% мощности тонкого пласта, которая не проявляется как поверхностное проседание, рассредоточено как распространенной по всему объему перекрывающих пород деформации, вероятно связанной с созданием свежих трещин и микротрещин. Проседание в закрытых угленосных бассейнах Существует некоторое доказательство того, что напряжение изгибания может иметь место над горными выработками в уплотненной части East Pennine угленосного бассейна, где каменноугольные пласты перекрыты пермским комплексом, содержащим мощные слои доломитового известняка. В угленосном бассейне Selby, где выработан только Barnsley пропласт, полное значение предсказанного проседания над забойными камерами не достигается до тех пор, пока не выработаны камеры." Ключевые слова: wensaas, порода, valhall, профиль, ширина, скорость, полный, угленосный бассейн, действующий забой, мощность, кровля, сланец, besuelle, пробег, развитие, морской, угленосный, выработка, мощный, временной сейсмический, скважина, максимальный, точка, вывод, существенный, наблюдение, функция ширина, максимальный проседание, составлять, размер, bourne, обусловить, обычный, необратимый, месяц, kristiansen, subsidence, забойный, engineering, камера, слой, вертикальный, зона, течение, поверхность земля, трещина, наблюдаться, проседание место, горизонтальный, бассейн, поведение, mining, уменьшение, проседание, угольный, эффективный напряжение, расстояние, вероятный, сейсмический, забой, длина, teige, rawahy, тонкий, структура, уплотнить резервуар, изменение, напряжение действовать, горный выработка, исследование, board, поверхность, relationship, al-rawahy, напряжение, временной константа, известняк, selby, перекрывающий порода, уплотненный резервуар, предсказать, нарушение, пласт, эффективный, место, goulty, напряжение растяжение, national coal, горный, london, микротрещина, существовать, структура порода, результат, durham, перекрывать, полученный, резервуар, выработанный, coal, остаточный проседание, возможный, перекрывать порода, предполагать, уплотнить, national, активный, остаточный, временной, технический, разработка, тонкий пласт, октябрь, вызвать, damage, предположить, статья, вязкоупругий отклик, break, забойный камера, растяжение, выработать, coal board, действовать, мощность тонкий, сжатие, высокий, уменьшение скорость, предполагаться, содержать, углеводородный