Напряженно-деформированное состояние геологической среды в районах нефтегазодобычи и его влияние на здания и сооружения.



Интенсивная добыча нефти и газа в крупных нефтегазоносных районах нарушает природную, включая геологическую, среду, значительно перестраивает гидрогазодинамические и геодинамические процессы в земной коре на глубины до десяти и более километров на площадях до нескольких тысяч квадратных километров. На этих территориях вследствие выемки пластов происходит сдвижение горных пород, проявляющееся на земной поверхности в виде оседаний, наклонов, прогибов, горизонтальных сдвижений и других деформаций, которые вызывают значительные повреждения и даже разрушения зданий и сооружений.

В Западном Оренбуржье, расположенном на юго-востоке Восточно-Европейской платформы, более пятидесяти лет интенсивно эксплуатируются более сотни месторождений нефти и крупнейшее в Европе Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение. Высокая плотность месторождений углеводородов (УВ) и интенсивная их разработка обусловили техногенные изменения в геологической среде, особенно в ее водной составляющей, на площадях до 5000 км² [1].

Извлечение больших объемов газообразного и жидкого вещества при добыче УВ приводит к падению давления в газожидкостной системе месторождения, что снижает противодействие литостатическому давлению перекрывающих его горных пород и увеличивает опасность землетрясения, последующего проседания земной поверхности и возникновения чрезвычайных ситуаций.

На месторождениях может происходить интенсивное (более 1 м) обширное проседание земной поверхности на площадях порядка 100 км². Проседанию могут способствовать: значительная мощность продуктивных отложений, небольшая глубина залегания разрабатываемых интервалов геологического разреза, относительно высокая пористость пород резервуара, аномально высокое пластовое давление и его относительно быстрое снижение в процессе освоения месторождений углеводородов. Это повышает риск выхода из строя производственных объектов и может привести к серьезным негативным последствиям.

Одним из основных факторов, определяющих тектонические условия, является наличие разломов. Возникновение разломов вызвано воздействием медленно меняющегося во времени регионального поля тектонических напряжений, которое приводит к сдвиговым перемещениям смежных блоков среды.

Чаще всего разломы состоят не из единственной трещины или разрыва, а из структурной зоны однотипных тектонических деформаций, которые ассоциируются с плоскостью разлома, то есть возникают зоны разломов.

Часто деформации в разломных зонах возникают при небольших внешних воздействиях природного или техногенного характера, когда активизируются вертикальные трещины и локальные просадки вышележащей толщи в обстановке регионального растяжения.

В соответствии с СП 21.13330.2012 подрабатываемые территории подразделяются на группы в зависимости от максимальных значений деформаций земной поверхности (табл. 1) [6].

Таблица 1

Классификация подрабатываемых территорий взависимости от значений деформаций земной поверхности

Группа территорий	Деформации земной поверхности подрабатываемых территорий
	Относительная горизонтальная деформация ξ	Наклон i, мм/м	Радиус кривизны R, км
I	12≥ ξ>8	20≥ i>10	1≤ R<3
II	8≥ ξ>5	10≥ i>7	3≤ R<7
III	5≥ ξ>3	7≥ i>5	7≤ R<12
IV	3≥ ξ>0	5≥ i>0	12≤ R<20

Выбор группы подрабатываемых территорий под застройку должен производиться с учетом предвиденных (возможных) деформаций земной поверхности, а также быть обоснован технико-экономическими показателями затрат на выбор оптимального конструктивного решения и мероприятий по защите зданий и сооружений от возможных разрушений.

Непригодным к застройке считаются участки, на которых деформации земной поверхности по прогнозу превышают величины для I группы территорий. Участки, не пригодные для строительства, следует отводить под полосы озеленения, скверы, парки и зоны отдыха [9].

Особое внимание при проектировании стоит уделять активным разломам, где происходят современные короткопериодические (первые месяцы и годы), пульсационные и/или знакопеременные деформации со скоростями более чем 5•10^–5 в год [4].

Основные и наиболее опасные формы этих последствий — сильные деформации наземных сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных скважин, порывы промысловых трубопроводных систем, заболачивание и затоплений опускающихся участков земной поверхности, региональное проявление оползневых процессов.

Согласно СП 11–104–97, СНиП 2.02.01 и др.предельно допустимые (за весь срок службы сооружений) деформации в основании объектов строительства не должны превышать:

– относительное горизонтальное сжатие или растяжение — 1 мм/м;

– наклон — 3 мм/м;

– относительная неравномерность осадок — 0,006;

– крен фундамента — 0,005.

Основным фактором, определяющим уровень формирования обширных просадок земной поверхности территории месторождения, является величина деформации порового объема пласта-коллектора, вызванной падением пластового давления. Для оценки максимальной, предельно возможной величины вертикальных смещений земной поверхности нужно предположить, что все изменения порового объема происходят за счет деформации породы в вертикальном направлении. В этом случае будет справедлива следующая формула:

∆h = m ∙ H ∙ βпор ∙ ∆P, (1)

где: m — пористость;

Н — эффективная толщина нефтенасыщенности;

βпор — коэффициент сжимаемости порового пространства;

∆P — изменение пластового давления в процессе разработки.

При строительстве зданий и сооружений различного назначения на подрабатываемых и карстоопасных территориях необходимо знать характерные для них опасные геологические процессы и явления и учитывать их при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений [8].

Одним из примеров формирования опасных техногенных геодинамических процессов является Байтуганское месторождение нефти, Байтуганское месторождение является крупнейшим месторождением нефти на Южном Урале, расположено на границе Оренбургской и Самарской областей в Северном, Камышлинском и Клявлинском районах.

Массив горных пород Байтуганского месторождения слагает множество различных по составу пластов.Для расчета максимально возможной величины оседаний земной поверхности использована программа для ЭВМ на основе формулы (1), реализующая метод конечных элементов. В качестве конечных элементов рассматривается относительно однородный элемент земной коры в форме прямоугольного параллелепипеда, для которого рассчитывается величина уплотнения по формуле (1). По вертикали разбиение среды на конечные элементы определяется слоями пород, а по горизонтали — блоково-разломной структурой и свойствами пород геологической среды в районе месторождения [2].

Максимальные оседания поверхности при уплотнении коллекторов при максимальном уровне падения давления по пластам приведено в таблице3. Максимальное расчетное оседание в центральной части Байтуганского месторождения достигает 427,5 мм. Вычисление вертикальных смещений земной поверхности было выполнено для условий установившегося пластового давления в зоне размещения эксплуатационных скважин. Результаты расчетов оседаний представлены в табл.3.

Таблица 3

Результаты расчета максимальной величины оседаний земной поверхности на Байтуганском месторождении

Пласт	Коэффициент поперечных деформаций 	Принятия пористость, доля	Этаж нефте-носности, м	Коэффицент сжимаемости	Падение пластового давления ΔP, МПа	dh, мм (в центральной части пласта)
А4	0,21	0,13	44.2	0,001923	5,6	72,8
С1s	0,21	0,14	50	0,001923	5,6	215,6
Б2	0,3	0,19	23,9	0,001923	7,0	81,8
В1	0,21	0,11	43	0,001923	6,67	57,3
Суммарное оседание на поверхности, мм						427,5

Согласно действующим нормативным документам [5] условия подработки и применения мер охраны зданий, сооружений и коммуникаций устанавливаются путем сравнения расчетных показателей деформаций в районе застройки рассматриваемых объектов с допустимыми и предельными деформациями для этих объектов. Величины допустимых и предельных деформаций определяются нормативными документами [5].

При проектировании зданий и сооружений для строительства на подрабатываемых и карстоопасных территориях и просадочных грунтах следует предусматривать следующие меры по охране зданий и сооружений [8]:

– планировочные мероприятия;

– конструктивные меры защиты зданий и сооружений;

– мероприятия, снижающие неравномерную осадку и устраняющие крены зданий и сооружений;

– горные меры защиты, предусматривающие порядок горных работ, снижающий деформации земной поверхности;

– геотехнические мероприятия, снижающие неравномерность деформаций основания (укрепление оснований);

– водозащитные мероприятия на территориях, сложенных просадочными грунтами;

– ликвидацию (тампонаж, закладку и т. п.) пустот старых горных выработок и карстовых провалов, находящихся на глубине до 80 м, выявленных в процессе изыскательских работ;

– мероприятия, обеспечивающие нормальную эксплуатацию наружных и внутренних инженерных сетей, лифтов и другого инженерного и технологического оборудования в период проявления неравномерных деформаций основания.

Исходными данными для проектирования этих мероприятий являются максимальные величины ожидаемых деформаций земной поверхности на участке строительства: оседание, относительная горизонтальная деформация (растяжение-сжатие), наклон, максимальная кривизна или обратный ей минимальный радиус кривизны, горизонтальное сдвижение [7].

К сильнейшему негативному фактору деформации земной поверхности относится ее скорость [4]. Она может проходить в медленном режиме, при котором происходит постепенное проседание земной поверхности и имеется время для предотвращения негативных последствий. Но часто происходит спонтанное высокоамплитудное и высокочастотное изменение состояния земной поверхности, ее колебание в виде сейсмических толчков. Они, как правило, слабо проявляют себя до события и поэтому трудно предсказуемы без специального сейсмического мониторинга.

Таким образом, исследованиями установлено, что добыча полезных ископаемых приводит к формированию опасных геодинамических процессов и вызывает опасные деформации земной поверхности в районе месторождения. Строительными нормами и правилами установлены критические значения этих деформаций для разных типов сооружений. Модель расчета и влияния деформаций земной поверхности в районе месторождений УВ, приведенные в данной статье позволяют значительно снизить риск негативного влияния разработки месторождения на здания и сооружения. Проектами зданий и сооружений следует проводить мониторинг и прогнозирование деформаций земной поверхности, а также деформаций зданий и сооружений, в том числе в период их строительства для выбора оптимального конструктивного решения и защитных мероприятий.

Литература:

1. Нестеренко М. Ю. Геоэкология недр нефтегазоносных районов Южного Предуралья. Екатеринбург: УрО РАН, 2012. 135 с.
2. Нестеренко М. Ю., Нестеренко Ю. М., Соколов А. Г. Геодинамические процессы в разрабатываемых месторождениях углеводородов (на примере Южного Предуралья): монография // — Екатеринбург: УрО РАН, 2015.- 186 с.
3. Гогоненков Н. Г., Эльманович С. С., Луцкина М. В. Полигональная система разрывов надсеноманской толщи в Западной Сибири // Геофизика. 2002. — № 2. — С. 5–10.
4. Кузьмин Ю. О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. М.: АЭН. 1999. 220с.
5. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. — С.-Петербург: Изд.ВНИМИ, 1998 г.-291 с.
6. СП 21.13330.2012. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. — Введ. 2013–01–01. — Москва: Минрегион России, 2012. — 115 с.
7. Указания по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. — Москва, 1965. — СН 289–64с.
8. Д. Г. Золотозубов, А. Б. Пономарев, Е. Н. Сычкина. Строительство на подрабатываемых и карстоопасных территориях. — Учебное пособие. — Пермь:Изд.ПНИПУ, 2012г. — 138 с.
9. Территориальные строительные нормы Пермской области. Здания на подрабатываемых территориях Верхнекамского месторождения калийных солей. Назначение строительных мер защиты.– Пермь, 1998г. — 122c.