Расчёт параметров систем сейсмомонитроинга подземных хранилищ газа, для обеспечения их экологической безопасности

В современном мире принято уделять большое внимание экологической безопасности при добыче и хранении полезных ископаемых, так как этот сектор промышленности связан с большими объёмами потенциально опасных веществ и кроме того показатель аварийности остаётся на достаточно высоком уровне. В данной статье речь пойдёт о подземных хранилищах углеводородов (в дальнейшем ПХУ), как о важном, но небезопасном элементе энергообеспечения в современном мире. И в первую очередь речь пойдёт об обеспечении экологической безопасности эксплуатации таких хранилищ.

На сегодняшний день ПХУ завоевали прочное место в нефтегазотранспортной структуре по всему миру. В последнее время возрастает роль ПХУ в соляных отложениях, обеспечивающих наибольшую сохранность сырья. Их создание связано с нарушением естественного напряженно-деформированного состояния массива вмещающих горных пород. Это может привести к возникновению динамических явлений и сдвижению поверхности. В мировой практике создание и эксплуатация таких хранилищ сопровождается наблюдениями с использованием различных методов и технических средств, из которых сейсмические системы зарекомендовали себя наиболее эффективными с точки зрения практической приемлемости и характера получаемой информации. Это, в частности, обусловлено тем, что размещение сейсмоприемников на поверхности или в отдельных скважинах позволяет следить за процессами, происходящими в глубине, что не требует внедрения в каждую точку контролируемого массива пород. Такие наблюдения ведутся уже на протяжении десятков лет, и первые из них осуществлялись аналоговыми сейсмостанциями. Приборы, применяемые сегодня, соответствуют общему уровню развития измерительной техники и строятся по цифровому принципу.

Особый интерес представляет компьютерное моделирование нарушений в массиве горной породы, для оценки требований к системам сейсмомониторинга. В настоящей работе приведены результаты 105

компьютерного моделирования регистрируемых сигналов и соответствующих спектров, при внезапном возникновении трещины в массиве горных пород в непосредственной близости от хранилища углеводородов.

• 1.    ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

  В эксперименте промоделирована модель, состоящая из однородного массива соли, разделённого двумя горизонтальными прослойками ангидрита. В массиве соли, находящемся между прослойками ангидрита на глубине 1050 м расположена полость, имитирующая ПХУ. На основании реальных результатов измерений, были заданы физические параметры геологического пространства (табл. 1). При помощи компьютерного моделирования, в статическом режиме, были рассчитаны параметры начальных напряжений. Следующим шагом было создание трещины на расстоянии 13 метров от ПХУ. Затем, с использованием значений напряжений в массиве в качестве начальных условий, геологическое пространство было промоделировано в динамическом режиме еще раз с трещиной. Были рассчитаны изменения напряжений в массиве после появления трещины, а также сейсмические волны в различных точках массива пород. Наибольший интерес в полученной модели представляют собой колебательные вертикальные составляющие скоростей упругих волн внутри массива, возникшие вследствие образования трещины.

• 2.    РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ СИГНАЛОВ И ИХ СПЕКТРОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ТРЕЩИНЫ В МАССИВЕ ПОРОД

Расчет распространения упругих волн основывается на втором законе Ньютона б 2u р—u.-V- cVu  F , где бt2       c         , д u – вектор перемещений; F – вектор внешних сил; c – вектор коэффициентов, характеризующий свойства материала, определяемый на основании законов упругости.

По результатам измерений для расчетов были подготовлены следующие значения параметров пород, приведенные в табл. 1.

Таблица 1.

Параметры горных пород для расчетов упругих волн при образовании трещины

Порода, номера слоев (сверху вниз)	Модуль упругости E, МПа	Коэффициент Пуассона V	Плотность, кг/м3	Параметры затухания Рэлеевской модели dK , 1/Гц
Каменная соль, 3	3,4∙1010	0,34	2145	2,37∙10-5
Ангидрит, 2, 4	6,0∙1010	0,38	2920	4,14∙10-5
Известняк, 1, 5	3,5∙1010	0,33	2400	2,5∙10-5

Для корректного задания физических свойств массива, таких как модуль Юнга и коэффициент Пуассона были проведены измерения на образцах соли. С целью определения упругих характеристик пород были произведены измерения на приборе «Ультразвук» методом сквозного прозвучивания.

Расчеты производились на базе программы COMSOL Multiphysics ver. 3.5a [1].

Внешний вид модели после статического расчета вертикальной составляющей напряжений показан на рис. 1.

Рис. 1. Геометрия 5-слойной модели для расчета после статического расчета с выводом значений вертикальных напряжений, а также четырех линий расчета скоростей вертикальных смещений

Полученные временные и спектральные характеристики сейсмосигналов, рассчитанные для различных точек вдоль линий горизонтальных y = 975; 1000; 1050 м и вертикальной x = 0 м позволили получить зависимости амплитуд колебательных скоростей вертикальных смещений от расстояния до источника упругих волн l. Эти зависимости представлены на рис. 2.

Там же приведены результаты стандартной аппроксимации этих зависимостей экспонентами вида y a exp ♦ a ₁ x , где y – скорость вертикальных смещений, x - расстояние до источника упругих волн (трещины), a 0 , a 1 - параметры. Коэффициент при расстоянии x (в нашем обозначении l ) и наклон линий на рис. 2 характеризуют затухание при распространении упругих волн.

Как следует из зависимостей, приведенных на рис. 2, наименьшее затухание соответствует линии y = -1000 м, расчетные линии y = -1050 м и x = 0 м имеют близкие наклоны графиков и значения затухания (0,039 и 0,04 1/м), а наибольшее затухание наблюдается на линии y = -975 м.

Рис. 2. Зависимости максимальной колебательной скорости V max от расстояния l до источника (трещины) на различных профильных линиях; в формулах зависимостей у – амплитуда скорости, x – расстояние до источника

На рис. 3 представлены результаты аппроксимации зависимостей от расстояния до источника l верхней граничной частоты спектра сейсмосигналов для различных профильных линий.

В целом, можно отметить сравнительно небольшое уменьшение максимальной частоты спектра с увеличением расстояния l , отсчитываемой на уровне -3 дБ от максимума.

Однако граница на уровне 0,1 (-20 дБ) показывает уменьшение верхней частоты спектра в 2-3 раза на рассматриваемых участках трасс.

Наибольшая скорость уменьшения F с ростом частоты наблюдается выше границы раздела на линии y = 975 м, т. е. на той же профильной линии, на которой наблюдается и наибольшее затухание.

При регистрации сейсмосигналов следует учитывать также действие сейсмошумов (микросейсмики), которые условно можно разделить на две характерные группы [2, 3]: 1) помехи в области частот 0,1 – 1 Гц; 2) высокочастотные микросейсмы от 1 Гц до 20 Гц и выше. Сюда могут входить индустриальные и транспортные шумы, ветровые помехи, помехи от горных рек и от колебаний воды в озерах, от морского прибоя и т. д. При этом заглубление сейсмоприемника на глубину до 200 м дает выигрыш в отношении сигнал/шум в десятки раз. По результатам отдельных наблюдений, изложенных, в частности, в [4], на глубинах 600800 м влияние мешающих факторов с «дневной поверхности» практически не ощущается. Поэтому для надежной регистрации сейсмосигналов, вызванных изменениями напряженно-деформированного состояния массива пород, обрушениями кровли каверны и варьированием давления в ней рекомендуется размещать сейсмоприемники на указанных глубинах свыше 600-800 м и по возможности в зоне контакта каменной соли и вмещающего ее ангидрита. Это даст возможность получать сейсмоинформацию со всего поля батареи емкостей.

Рис. 3. Зависимости максимальной частоты усредненного спектра F от расстояния до источника (трещины) l для различных профильных ли-

Выводы

• 1.    Разработанная компьютерная 5-слойная модель массива пород, вмещающего ПХГ и ПХУ, позволила исследовать основные

• 2.    Установлено, что трасса, направленная по границе контакта ангидрит-каменная соль, обладает меньшим затуханием и меньшим подавлением высокочастотных составляющих сейсмических волн по сравнению с другими путями распространения, что может быть использовано для оптимизации размещения сейсмопреобразователей в зоне ПХГ и ПХУ.

• 3.    Для регистрации сейсмосигналов наиболее приемлемой является полоса частот от 1-10 Гц до 200-300 Гц, причем для надежной работы и повышения точности определения координат сейсмособытия верхняя граница должна быть увеличена в 2-3 раза.

закономерности распространения упругих волн в геосреде, в которой образуются трещины.