Оседание земной поверхности

Оседание земной поверхности в ряде случаев настолько интенсивно, что приносит огромный экономический ущерб. Происходит повышение уровня грунтовых вод, подтопление и заболачивание местности, обводнение зданий и промышленных coopужений, затопление прибрежных территорий; при неравномерном оседании - разрушение зданий, дорог и подземных коммуникаций, деформации мостов, портов, набережных и других сооружений. Наиболее пагубные последствия явления оседания имеются в Японии, Мексике, США, Италии, Нидерландах, Таиланде. 

Оседание земной поверхности, иногда довольно значительное, наблюдается главным образом при разработке нефтяных и газовых месторождений, характеризующихся АВПД. В месторождениях с нормальными (гидростатическими) пластовыми давлениями оседание земной поверхности встречается значительно1 реже и по своему масштабу оно незначительно. Залежи нефти и газа, характеризующиеся АВПД, являются гидродинамически изолированными, т.е. они не связаны с общей водонапорной системой. При их эксплуатации происходит резкое снижение пластового давления, что и является основной причиной оседания дневной поверхности над ними. 

Последствия оседания земной поверхности, обусловленные разработкой нефтяных и газовых месторождений, характеризующихся АВПД, разнообразны. Они приводят к заболачиванию и затоплению районов, где происходит такое оседание, ведут к изменению поверхностного стока. 

Сдвижение пород и оседание земной поверхности особенно характерны для месторождений Ахалцихе, Чиатура, Ткибули, Ткварчели. На Чиа-турском марганцевом месторождении при очистных работах на глубине 50 - 100 м сдвижение толщи в первый период выработки достигает земной поверхности через 8 - 15 дней, на Ткибульском месторождении - через 1 - 1 5 мес, а на Ткварчельском - через 3 - 4 мес. 

Предварительная оценка возможных  величин оседания земной поверхности при проектировании водозаборных сооружений позволяет определить допустимые масштабы эксплуатации. 

Под влиянием оттаивания грунтов  возможно оседание земной поверхности, деформации зданий и сооружений. При строительстве, проектировании, обустройстве и эксплуатации нефтепромыслов в северных районах, особенно с применением тепловых и термохимических методов повышения нефтеотдачи, следует предусматривать мероприятия, позволяющие устранить нежелательные последствия теплового воздействия. 

В связи с тем что оседания земной поверхности происходят со скоростью 30 - 35 мм / год в центре мульды сдвижения и со скоростью 60 - 65 мм / год на ее крыльях, а также анализируя характер зависимости рис. 4, 5, 6, можно предположить, что процесс деформирования пород стабилизировался, но не имеет пока признаков затухания. Указанное различие в скоростях оседания различных участков мульды отражает современный характер ее развития, заключающийся в преимущественном расширении ее площади. Об этом же говорит сравнение размеров и формы срединной части мульды, представленных в изолиниях оседаний по годам на плане поверхности. 

В связи с тем, что оседание земной поверхности при подработке происходит неравномерно, отдельные участки мульды сдвижения получают различные наклоны.

Одновременно на полигонах  ведутся наблюдения за оседанием земной поверхности, которое возможно при интенсивной эксплуатации нефтяных месторождений. Для этой цели проводится периодическая нивелировка специальных реперов, размещение которых уточняется в процессе наблюдений. 

В СССР наиболее детальное  и целенаправленное изучение оседания земной поверхности под влиянием эксплуатации проводится в районе действующих водозаборных сооружений г. Таллина. 

Следует отметить, что при  интенсивном законтурном заводнении процесс оседания земной поверхности проявляется незначительно либо прекращается. При эксплуатации залежей в карбонатных породах, как правило, сильных просадочных явлений земной поверхности (более первых дециметров) не возникает.

В результате сжатия пород - коллекторов и пород - неколлекторов, последующего оседания земной поверхности происходит возрастание вертикального эффективного напряжения во всем массиве горных пород. Оказывается, что соответствующие темпы возрастания этих напряжений в сотни тысяч и в миллионы раз превышают темпы его увеличения в процессах седиментогенезиса. Это приводит к резкому нарастанию напряженности в земной коре в зоне расположения месторождения. Техногенное воздействие на недра и окружающую среду оказывается сопоставимым с воздействием тектонических процессов. 

Исходной предпосылкой в  ней является ссылка на опубликованные работы, указывающие на оседание земной поверхности при разработке нефтяных месторождений на режиме истощения. География месторождений, где выявлены случаи оседания земной поверхности, достаточно представительна. Это позволило авторам изначально принять тезис о необратимости деформаций при снижении пластового давления при разработке нефтяных месторождений. Последующие оценки уменьшения пористости, проницаемости, нефтенасыщения из-за необратимых деформаций построены на изучении керна без учета изменений его свойств при подъеме на поверхность. Кстати, в последней работе дается объяснение и упомянутым выше значительным оседаниям поверхности земли: при снижении пластового давления в нефтенасыщенном пласте происходит инфильтрация воды из глинистой кровли, а дегидрация глины сопряжена со значительным уменьшением ее объема. 

В результате ведения горных работ или при водопонизительных работах происходит сжатие пород и оседание земной поверхности, при этом возникают дополнительные нагрузки, сжимающие крепь вдоль ее продольной оси. 

Заслуживают внимания оценки причин техногенных землетрясений, которые  связаны с оседаниями земной поверхности. Прежде всего, оседания поверхности земли соотносятся не только со снижением давления в залежи, но и с эмиграцией флюидов из неколлекторов. Для Северо - Ставропольского месторождения были сопоставлены фактические темпы и величины оседания земной поверхности с теоретически возможными при учете сжатия только пород - коллекторов. Фактические величины в 3 раза превосходят теоретические, что свидетельствует о значительном сжатии слабопроницаемых пород после эмиграции из них флюидов. Расчеты показывают, что в газоконденсатных месторождениях с часто чередующимися продуктивными и непродуктивными пластами при снижении пластового давления в процесс дренирования вовлекаются большие объемы непроницаемых разделов. 

Анализ расчетов нормальных напряжений, испытываемых обсадной колонной в результате деформации продуктивных пластов и оседания земной поверхности, показывает, что их значение достигает сотен МПа. 

Следует, однако, учитывать длительность процесса уплотнения глинистых пород, а значит, и оседания земной поверхности. Осадка на расчетный момент времени может быть определена по кривым ползучести, полученным при лабораторных исследованиях и характеризующим развитие деформаций во времени при различных напряжениях. 

Аналогичные характеристики деформаций могут устанавливаться также  для просадок, набуханий (усадок) грунтов, оседаний земной поверхности и других деформаций.

В связи со сказанным оценка ЭЗПВ крупных месторождений должна включать в себя также и прогнозирование  процессов оседания земной поверхности. 

Застройка площади залегания месторождения  нефти и газа, на котором отсутствует  геодинамический полигон и не ведутся систематические наблюдения за оседанием земной поверхности в результате добычи углеводородного сырья, не допускается. 

Достаточно много наблюдений, когда  разработка нефтяных месторождений  приводит к деформации не только нефтенасыщенных пластов, но и вышележащего горного массива с оседанием земной поверхности. Авторы отметили, что породы продуктивного пласта деформируются нелинейно-упруго, а вышележащие - в соответствии с законом Гука, т.е. линейно-упруго.

Район земной поверхности, подверженный влиянию горных разработок, образует так называемую мульду сдвижения, представляющую собой определенный участок, в котором  происходит оседание земной поверхности. При наличии в мульде сдвижения провалов или сбросов (что наблюдается редко) нарушаются сплошность среды и нормальное распределение величин сдвижений и деформаций земной поверхности; в подобных случаях обычные формулы и методы расчета сдвижения этой поверхности, так же как и исходные параметры процесса сдвижения, неприменимы. 

В бывшем СССР организованы геодинамические  полигоны на Туймазинском, Старогрозненском, Мухановском, Тюменском, Речиц-ком и Верхнекамском нефтяных месторождениях для выявления и прогнозирования динамики оседания земной поверхности под влиянием разработки залежей углеводородов.

В качестве защитных мероприятий на затопленных шахтах необходимо ограничить поступление в подземные водоносные горизонты поверхностных вод  через провалы на выходах угольных пластов и трещины при оседании земной поверхности, а также локализовать поверхностный сток с отвалов шахт и произвести его очистку.

Кроме того, если геологический разрез месторождения и продуктивные пласты представлены глинистыми, песчано-алевролитовыми отложениями, а пластовые давления характеризуются аномально высокими значениями, то возможно оседание земной поверхности при разработке месторождения. При этом в процессе разработки могут возникнуть серьезные осложнения - смятие эксплуатационных колонн и повреждение промысловых коммуникаций. 

Проводятся исследования по созданию теоретических основ проектирования, разработки и эксплуатации газовых  и газоконденсатных месторождений  с использованием энергосберегающих  технологических режимов эксплуатации вертикальных и горизонтальных скважин  с оптимизацией условий оседания земной поверхности. Создана методика и проведена оценка долгосрочного прогноза развития газовой отрасли с учетом перевода потенциальных традиционных и нетрадиционных ресурсов в промышленные категории, позволяющая считать целесообразным переориентацию всей энергетики страны в основном на природный газ.

При жестком креплении скважины на устье (обвязка эксплуатационной, промежуточных колонн и кондуктора колонной головкой) и посадке ее башмака на забой в процессе деформации продуктивных пластов и оседания земной поверхности в колонне возникают дополнительные осевые нагрузки. 

Эти нарушения независимо от их величины способствуют оседанию целиков, что  в свою очередь приводит к оседанию покровных пород и земной поверхности. При малых оседаниях целиков  величина оседания земной поверхности может быть установлена лишь путем длительных инструментальных замеров; такое нарушение земной поверхности не имеет практического значения. Однако при значительных нарушениях целиков или при обрушении кровли выработок могут происходить большие нарушения как в толще покровных пород, так и земной поверхности. Часть земной поверхности, на которой наблюдаются нарушения или оседания, вызванные влиянием горных разработок, называют мульдой сдвижения. При больших сдвижениях как внутри мульды, так и по краям ее образуются трещины, провалы, что приводит к разрушению построек и сооружений. Подобные разрушения часто наблюдаются в районе старых соляных промыслов. 

Исходной предпосылкой в ней  является ссылка на опубликованные работы, указывающие на оседание земной поверхности  при разработке нефтяных месторождений  на режиме истощения. География месторождений, где выявлены случаи оседания земной поверхности, достаточно представительна. Это позволило авторам изначально принять тезис о необратимости деформаций при снижении пластового давления при разработке нефтяных месторождений. Последующие оценки уменьшения пористости, проницаемости, нефтенасыщения из-за необратимых деформаций построены на изучении керна без учета изменений его свойств при подъеме на поверхность. Кстати, в последней работе дается объяснение и упомянутым выше значительным оседаниям поверхности земли: при снижении пластового давления в нефтенасыщенном пласте происходит инфильтрация воды из глинистой кровли, а дегидрация глины сопряжена со значительным уменьшением ее объема. 

Оседание земной поверхности, иногда довольно значительное, наблюдается  главным образом при разработке нефтяных и газовых месторождений, характеризующихся АВПД. В месторождениях с нормальными ( гидростатическими) пластовыми давлениями оседание земной поверхности встречается значительно1 реже и по своему масштабу оно незначительно. Залежи нефти и газа, характеризующиеся АВПД, являются гидродинамически изолированными, т.е. они не связаны с общей водонапорной системой. При их эксплуатации происходит резкое снижение пластового давления, что и является основной причиной оседания дневной поверхности над ними. 

Камерная система разработки на эстонских сланцевых шахтах получает все большее развитие. В результате внедрения этой системы большое  значение приобретает вопрос возможности оседания земной поверхности или провалов в ней в связи с подработкой и сравнительно незначительной глубиной горных работ и возможность использования этой поверхности в будущем под застройку или другие цели.

При разработке полезных ископаемых в недрах земли образуется свободное  пространство, и верхние слои почвы  перемещаются к центру образовавшейся пустоты. Район земной поверхности, подверженный влиянию горных разработок, образует так называемую мульду сдвижения, представляющую собой участок, в  котором происходит оседание земной поверхности. В результате сползания грунта в мульде сдвижения в трубопроводе в связи с его защемлением возникают значительные растягивающие напряжения. Поэтому при расчете трубопроводов напряжения от воздействия этого фактора должны быть определены и в проекте предусмотрены специальные конструктивные решения, обеспечивающие надежность работы трубопровода в этих условиях. 

При снижении пластового давления и  деформации продуктивного пласта возмущение передается по массиву вышележащих  горных пород до поверхности земли. Может иметь место, как наиболее общий случай, процесс послойной реакции на возмущение, т.е. послойного опускания массива горных пород. Оседание земной поверхности происходит с некоторым запаздыванием после деформации продуктивного пласта. Время запаздывания и возможность оседания земной поверхности зависят от размеров залежи, ее строения, глубины, петрофизических свойств массива горных пород. 

Данное явление, формирующееся  под влиянием интенсивного водоотбора, а также эксплуатации нефти и газа, известно уже давно и достаточно хорошо изучено во многих странах: СССР, Японии, США, Мексике, Италии, Нидерландах, Англии. Его описанию посвящены многочисленные работы советских и зарубежных исследователей. Оседание земной поверхности вызывается изменениями состояния как водовмещающих, так и разделяющих слоев. Снятие взвешивающего гидростатического давления воды приводит к увеличению сил тяжести и возрастанию эффективного давления слоев, что вызывает уплотнение рыхлых пород и приводит к оседанию земной поверхности. 

Интенсивная эксплуатация подземных  вод приводит к оседанию поверхности  земли, обусловленному снижением напоров  подземных вод в продуктивных водоносных горизонтах, вызывающему  увеличение напряжений в массиве  пород. Размеры депрессионных воронок  могут достигать сотен и тысяч  квадратных километров при понижении  напора в их центре до сотен метров, в результате чего образуются массивы  пород, избыточное напряжение в которых  может достигать большой величины, приводящей к уплотнению горных пород. Динамика развития возможного оседания земной поверхности при водопонижении зависит от ряда факторов: интенсивности водоотбора, величины снижения напоров, геологического строения и морфологии района, мощности и состава уплотняемых пород и их физико-механических свойств, степени первичной консолидации пород. Наиболее интенсивны оседания при снижении давлений в молодых несцементированных или полусцементированных, недоуплотненных отложениях с большой пористостью. Наиболее благоприятные условия для развития рассматриваемого процесса создаются при переслаивании хорошо проницаемых и малосжимаемых водоносных горизонтов или комплексов, из которых осуществляется водоотбор, с сильносжимаемыми высокопористыми глинистыми разделяющими пластами. 

Заслуживают внимания оценки В.И. Петренко [236] причин техногенных землетрясений, которые он связывает с оседаниями земной поверхности. Прежде всего, оседания поверхности земли соотносятся  не только со снижением давления в  залежи, но и с эмиграцией флюидов  из неколлекторов. Для Северо-Ставропольского месторождения были сопоставлены фактические темпы и величины оседания земной поверхности с теоретически возможными при учете сжатия только пород - коллекторов. Фактические величины в 3 3 раза превосходят теоретические, что свидетельствует о значительном сжатии слабопроницаемых пород после эмиграции из них флюидов. Расчеты показывают, что в газоконденсатных месторождениях с часто чередующимися продуктивными и непродуктивными пластами при снижении пластового давления в процесс дренирования вовлекаются большие объемы непроницаемых разделов.

Характер деформаций земной поверхности  определяется особенностями процесса сдвижения всей толщи горных пород, находящихся над выработками. Для  расчета трубопроводов практическое значение имеет деформация верхнего слоя земной поверхности, ограниченного  глубиной укладки трубопровода. Район  земной поверхности, подверженный влиянию  горных разработок, образует мульду сдвижения, представляющую собой определенный участок, в котором происходит оседание земной поверхности. При горизонтальном залегании пластов полезных ископаемых, что встречается редко, образуется симметричная мульда сдвижения относительно выработанного пространства, а при наклонном залегании мульда сдвижения смещается от выработки в сторону падения пласта. При выемке полезных ископаемых, вышележащие породы приходят в движение и начинают перемещаться к центру образовавшейся пустоты. В результате на поверхности земли в мульде сдвижения происходят довольно сложные деформации. 

Под влиянием горных разработок происходят существенные изменения природных  ландшафтов. В районах добычи полезных ископаемых образуется специфический  рельеф, представленный карьерами, терриконами, отвалами, хвостохранилищами и другими техногенными образованиями. При подземном способе добычи происходит снижение массива горных пород в сторону вырабатываемого пространства, образуются трещины, разрывы, провалы, воронки и оседания земной поверхности, на больших глубинах в горных выработках проявляются горные удары, выбросы и лучения пород, выделение метана, сероводорода и других токсичных газов, внезапные прорывы подземных вод, особенно опасные в карстовых районах и в зонах крупных разломов. При открытом способе отработки месторождений полезных ископаемых развиваются оползни, осыпи, обвалы, сели и другие экзогенные геологические процессы. 

В действующем в настоящее время  определении не учитываются экологические  аспекты эксплуатации подземных  вод и возможное влияние их отбора на изменение окружающей среды. Отбор подземных вод водозаборными  сооружениями может вызывать изменение  гидрогеологических условий, которое, в свою очередь, приводит к изменениям отдельных компонентов природной  среды, причем эти изменения могут  иметь как негативный, так и  позитивный характер. К основным негативным последствиям относятся: сокращение водности поверхностных водотоков и водоемов, изменение природных ландшафтов ( угнетение или гибель растительности), оседание земной поверхности, активизация карстово-суффрозионных процессов. 

Эксплуатация глубоких шахтных  стволов, пройденных через водоносные. И, как это не покажется парадоксальным на первый взгляд, такие деформации нередко возникают по мере того, как ни шахтном поле проводится снижение напоров в водоносных слоях, призванное обеспечить нормальные условия функционирования горных выработок. Согласно ему, снижение напоров подземных вод приводит к росту эффективных напряжений и к сжатию толщи горных пород, которое, кстати, хорошо фиксируется по оседанию земной поверхности в зоне влияния водопонижения. Жесткая же крепь ствола оказывается неспособной выдержать большие деформации продольного сжатия без разрушения. 

По мере подвигания очистного забоя величина и характер проявления горного давления меняются. Это обусловлено изменением состава и свойств горных пород по падению и простиранию, а также процессами перераспределения напряжений в массиве при выемке полезного ископаемого. Кроме того, периодические повышения давления связаны с нарастанием размера консоли необрушившейся основной кровли до момента ее обрушения, а также с раскрытием свода временного равновесия, образующегося над выработанным пространством, и интенсивным оседанием земной поверхности над ним. 

Эта наука, как известно, обеспечивает горное дело исходными данными для  эффективной эксплуатации богатств земных недр и для инженерного  осуществления самих горных работ, проходки горных выработок. Изученный  геологический разрез и детальные  геологические карты используются, в частности, с целью квалифицированного управления горными разработками, обеспечивающего  устойчивость подземных выработок. Вместе с тем геологические данные позволяют на стадии проектирования горнодобывающего предприятия, выбрав систему подземной отработки  месторождения, например с обрушением кровли, и зная закономерности горного  давления, прогнозировать размеры и  характер сдвижения пород, разрывность или пластичность оседаний земной поверхности, а следовательно, и предусматривать в проектах горных предприятий соответствующие работы по восстановлению земель, предопределяя при этом вид рекультивации, объем работ и затраты средств. 

При снижении пластового давления и  деформации продуктивного пласта возмущение передается по массиву вышележащих  горных пород до поверхности земли. Может иметь место, как наиболее общий случай, процесс послойной  реакции на возмущение, т.е. послойного опускания массива горных пород. Оседание земной поверхности происходит с некоторым запаздыванием после  деформации продуктивного пласта. Время  запаздывания и возможность оседания земной поверхности зависят от размеров залежи, ее строения, глубины, петрофизических свойств массива горных пород. 

В процессе работы над проектом учитывается  взаимосвязь работы отдельных звеньев  рассматриваемой системы в течение  всего периода разработки. Расположение и условия работы скважин увязаны  с работой коллекторов, компрессорных  станций УКПГ, УППГ и групповых  пунктов сбора. Например, местоположение дожимных компрессорных станций  определяется в зависимости от конфигурации газосборной сети и расположения групповых пунктов и установок  по осушке. Расположение этих сооружений выбирается в зависимости от дебитов, расположения скважин и наличия  тектонических нарушений и учета оседания земной поверхности. Например, применение энергосберегающих дебитов и опережающий ввод скважин в эксплуатацию могут не только улучшить условия их эксплуатации и работы пласта, но при этом значительно сократить расходы на сооружение дожимных компрессорных станций. 

Несмотря на огромный интерес к  проблеме АВПД широкого круга специалистов - геологов, геофизиков, геохимиков и  инженеров, занимающихся поисками, разведкой и разработкой Нефтяных и газовых месторождений, очень мало внимания до сих пор уделяется изучению АВПД с точки зрения охраны окружающей среды, хотя огромное значение АВПД в этом аспекте очевидно. Неожиданное вскрытие зон АВПД - основная причина открытых нефтяных фонтанов и выбросов, что приводит к загрязнению окружающей среды, большим материальным затратам, а часто и к человеческим жертвам. Наличие АВПД в продуктивных интервалах нефтяных и газовых месторождений цри их разработке в большинстве случаев является основной причиной значительного оседания земной поверхности в районах расположения эксплуатируемых месторождений, а иногда приводит и к возникновению землетрясений. 

Данное явление, формирующееся  под влиянием интенсивного водоотбора, а также эксплуатации нефти и газа, известно уже давно и достаточно хорошо изучено во многих странах: СССР, Японии, США, Мексике, Италии, Нидерландах, Англии. Его описанию посвящены многочисленные работы советских и зарубежных исследователей. Оседание земной поверхности вызывается изменениями состояния как водовмещающих, так и разделяющих слоев. Снятие взвешивающего гидростатического давления воды приводит к увеличению сил тяжести и возрастанию эффективного давления слоев, что вызывает уплотнение рыхлых пород и приводит к оседанию земной поверхности. 

При эксплуатации газовых скважин  с высоким дебитом может происходить  разрушение призабойной зоны. До начала разбуривания залежь находится в упругонапряженном состоянии. При входе долота в пласт в призабойной зоне в радиусе до 5 диаметров ствола забоя создается концентрация напряжений, приводящая к изменению первоначального напряженного состояния. Это может приводить из-за упругих и сдвиговых деформаций к снижению ( иногда на порядок) проницаемости и прочности призабойной зоны. В процессе разработки растет разность между горным и пластовым давлением, что усиливает деформационные процессы сдвигового характера, приводящие к разрушению призабойной зоны пласта.