Геомеханический расчёт подземных хранилищ углеводородов на основе экспериментального определения свойств горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 69.035.4:553.98 Г.А. Воронов

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ УГЛЕВОДОРОДОВ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

Семинар № 2

Введение

¥ ¥ а территории России имеется боль-1-1 шое количество соленосных бассейнов, которые могут быть использованы для сооружения бесшахтных резервуаров способом растворения каменной соли через буровые скважины. Особенностью таких подземных резервуаров является длительный срок их эксплуатации, отсутствие крепления, большой объём и сложная форма контура, значительная глубина заложения. Принятие адекватных проектных решений по проблеме длительной устойчивости подземных резервуаров в соляных отложениях при их строительстве и эксплуатации осложняется особенностями механического поведения каменной соли, склонной к проявлению реологических свойств, в зависимости от вида напряженного состояния и величин действующих в приконтурном массиве напряжений. Отраслевые нормативные документы, регламентирующие проектирование подземных резервуаров, не содержат чётких рекомендаций по учёту влияния напряженного состояния на прочностные и реологические свойства каменной соли и длительную устойчивость этих резервуаров. Поэтому оценка устойчивости данных подземных выработок является важной задачей при их возведении и эксплуатации.

Основная часть

В [1] проведена оценка устойчивости породного массива методом математичес-кого моделирования. Напряженно-дефор-

мированное состояние в окрестности выработок определяется из решения соответствующих задач механики горных пород от действия постоянных и временных (длительных, кратковременных, особых) нагрузок при установленных уравнениях состояния.

К постоянным нагрузкам относятся: горное давление и давление подземных вод. Величина горного давления определяется с учетом дан-

ных инженерно-геологических изыскании на площадке. При отсутствии тектонических напряжений в породном массиве горное давление допускается определять по весу вышележащих пород. При определении расчетных нагрузок в расчете выработки-ёмкости на устойчивость учитывается коэффициент надежности по нагрузке. Коэффициент надежности по ответственности принимается равным единице согласно ГОСТ 27751-88.

Расчет устойчивости подземных выработок-ёмкостей как правило выполняется при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузок.

При выполнении ограничений на размер целика, изложенных выше, допустимо рассматривать осесимметричную задачу.

Максимально допустимый пролет выработки Ь определяется по формуле

Ь

V adm

(

V

а

Р£Н - Р т

(1)

^ Н * Ш1П у

где УайШ - допустимый объем ОЗД в окрестности кровли, на основании опыта эксплуатации подземных хранилищ принимается УайШ = 700 м3; а1ю - интенсивность касательных напряжений, соответствующая пределу длительной прочности, МПа; а, ю - безразмерные параметры; Рш1п - минимальное эксплуатационное давление, МПа; рг- - усредненная плотность пород, залегающих выше кровли выработки-ёмкости, кг/м3.

Максимальное давление продукта согласно СП 34-106-98 определяется из соображений предотвращения гидроразрыва пород по формуле

Ршах= к g РгИ, (2)

где к - коэффициент, учитывающий геологическое строение массива каменной соли, прини-

маемый равным 0,7 - 0,9; Н - глубина заложения башмака основной обсадной колонны, м;

Минимально допускаемое давление на уровне кровли выработки-ёмкости, создаваемое в резервуаре продуктом, определяется по условию предотвращения разрушения выработки-ёмкости в течение всего периода эксплуатации.

4

Р Ш1П = Р$Н(3)

где Н - глубина заложения кровли выработки, м.

Задача решалась методом конечных элементов (МКЭ).

В результате расчетов были определены все компоненты тензоров напряжений и деформаций в центрах всех конечных элементов.

Затем полученные значения были сопоставлены с предельно допустимыми величинами, задаваемыми принятыми критериями устойчивости.

В ряде работ института ООО «Подземгаз-пром» оценивается влияние цикличного режима эксплуатации подземных хранилищ и скорости закачки газа на устойчивость подземных выработок-ёмкостей. При выполнении численных расчетов принималось, что необратимые деформации накапливаются при отборе газа из резервуара и его эксплуатации при минимальном противодавлении, а при заполнении резервуара в приконтурном слое массива реализуются деформации упругого восстановления. Таким образом, предполагалось, что реологические процессы, приводящие к потере устойчивости выработки-емкости и необратимому изменению ее геометрического объема, реально происходят в течение 17-25 лет, а не в течение всего 50летнего срока эксплуатации хранилища. Более того, при расчетах учитывалось изменение интенсивности реологических процессов (снижение прочности и деформируемости каменной соли) в зависимости от продолжительности нагружения приконтурного слоя соляного массива, определяемой продолжительностью эксплуатации резервуара при буферном давлении.

При расчете устойчивости в качестве уравнения состояния использовались уравнения вида [2]:

Г V

£,

(с -1) е’ /

1 -

(4)

--К

£,

Здесь С -

а:

1 —i

(5)

(6)

2 (1 + и)’ 1 - 2и

<Гг (сЛ-^) +(<Т2-^3) +(СТ3“СТ1) ;

Су ~ 0~1 + С2 + Оз;

£1 = ^ (й’|-й’2.)2 +(й’2 + (^3“^1)2;

£у = £\ + £2 + ^3,

^ - интенсивность касательных напряжений;

СТ1 - интенсивность касательных напряжений, соответствующая пределу прочности при заданной сумме главных напряжений (уу и

времени эксплуатации хранилища 1;

Ст'=£'оС~1 ; £1 - интенсивность необратимой

‘ ‘ с

деформации сдвига; £. - интенсивность деформации сдвига при а1 = а1ю и времени эксплуатации хранилища 1;

V Сgt

К I .

где ^ = г (1 - ехр (

о

-аг

& = -

(7)

(8) (9)

0 (с - 1Х

а1ю - интенсивность касательных напряжений, соответствующая пределу длительной прочности при заданной сумме главных напряжений ау; е1ю - интенсивность деформации сдвига при а1 = а1ю и бесконечно большом значении времени; еу- необратимая объемная деформация; Е - модуль деформации; V - коэффициент Пуассона; ш, п, а, 5, р, Р - безразмерные параметры, характеризующие деформируемость пород во времени; 81,82,е3 - необратимые деформации.

1

Таблица 1

Прочностные и деформационные характеристики каменной соли для расчета устойчивости подземной выработки-емкости

Прочность на одноосное Модуль деформации Коэффициент Пу- Модуль сдвига О, Модуль деформа-

сжатие Сто МПа Е, МПа. ассона, V МПа ции Е, МПа

32.5 12460 0,12 5600 16400

Модуль деформации Е и коэффициент Пуассона V (табл. 1) определялись по результатам испытаний образцов каменной соли на одноосное сжатие при их нагрузке и разгрузке в соответствии с рис. 1.

Реологические параметры определялись по результатам испытаний образцов каменной соли на одноосную ползучесть. Реологические характеристики каменной соли представлены в табл. 2.

Задача решалась методом конечных элементов (МКЭ) с применением программного комплекса «Оценка устойчивости подземных резервуаров» Версия 1.0, разработанного в ООО «Подземгазпром».

В результате расчетов были определены все компоненты тензоров напряжений и деформаций в центрах всех конечных элементов. На основании этих данных в окрестности контура находится некоторая область, где £^ > £®э ,

т.е. где деформации превышают предельные значения. Такая область называется областью запредельного деформирования (ОЗД). Затем полученные значения сопоставлялись с предельно допустимыми величинами, задаваемыми принятыми критериями устойчивости.

С целью оценки влияния скорости закачки хранимого продукта на устойчивость подземных выработок - емкостей выполнялись расчеты напряженно-деформирован-ного состояния

Таблица 2

Реологические параметры каменной соли

При расчетах влияния скорости закачки продукта на устойчивость выработки в качестве уравнения состояния использовались уравнения вида [3]:

с Єї

( .

Є±

• о

\Єг

1 - ехр \-аї‘

„З

Чу

(10)

(її)

где

интенсивность ка-

1-

Сті

/{є?!)’

сательных напряжении;

интенсивность

касательных напряжении, соответствующая пределу ползучести при заданной сумме главных напряжений (уу ; ^ - интенсивность ско-

1 - . ® рости деформации сдвига; - интенсивность

скорости деформаций сдвига при

(Г; = (Г;

а 5 с а“, МПа g , МПа

1.3 0.180 1.01 13,6 5586

8 ,ц, - параметры уравнения; ^ - коэффициент объемной вязкости; 1 - время.

Параметры уравнения состояния определялись из экспериментальных исследований каменной соли площади Туз - Гелю скв. ИОБ - 2, разновидность Хш, и представлены в табл. 3.

В результате расчетов определились все компоненты тензоров напряжений и скоростей деформаций в центрах всех конечных элементов. На основании этих данных в окрестности контура находится некоторая область (ОЗД), где

при различных значениях буферного давления.

1

с =

Таблица 3

Реологические параметры каменной соли

Скорость нагружения <т“, МПа Є? ^ , ^ ’

<Г1 , МПа/с при одноосной при трехосной МПа МПа

ползучести ползучести

1 7,5 13,6 3,110-9 4,4-1010 2,2-Ю11

ю-4 11,2 20,3 3,23-10-9

£■ > £^ , т.е. где скорости деформации превышают предельные значения. Затем полученные значения были сопоставлены с предельно допустимыми величинами, задаваемыми принятыми критериями устойчивости.

Было получено, что во всех рассмотренных случаях выработка устойчива. Однако при быстрой закачке газа в выработку-емкость при Ра = 7 МПа в окрестности кровли выработки наблюдается ОЗД, хотя ее размеры не выходят за рамки критерия устойчивости (рис. 2).

Во всех других случаях ОЗД в окрестности кровли выработки не наблюдается.

Рис. 1. Деформирование каменной соли с целью определения параметров уравнения состояния для расчета устойчивости выработки - емкости

исследований свидетельствовали о том, что более медленная закачка продукта обеспечивает большую устойчивость подземного хранилища и приводит к снижению скорости конвергенции в течение всего периода закачки.

Заключение

Проблемы устойчивости подземных хранилищ в соляных отложениях начали активно изучаться с начала 60-х годов. Это связано с появлением компьютеров второго поколения и активным использованием численных методов расчета для решения геомеха-нических задач.

На сегодняшний день имеются проблемы с воссозданием именно тех нагрузок, которым подвержена порода в подземных условиях. Кроме того, отсутствуют модели поведения массива соли при возведении и эксплуатации подземных хранилищ. Наиболее

Также в результате проведенных расчетов было получено, что скорость конвергенции выработки при быстрой закачке газа выше по сравнению со скоростью конвергенции при более медленной закачке продукта (рис. 3)

Таким образом, результаты выполненных

Рис. 2. Область запредельного деформирования в окрестности кровли выработки при Ртт = 7МПа

Рис. 3. Изменение скорости конвергенции в зависимости от буферного давления при различной скорости закачки продукта: а) 1 МПа/с; б) 104 МПа/с

близки к описанию этих явлений, модели зарубежных ученых.

Утверждается, что главными направлениями развития в этой области будут:

- создание новой аппаратурной базы,

- разработка новых моделей, описывающих поведение каменной соли в сложных

^.Ч/ли) 0 361—

в 8 10 12 14 16 18 20 22

Р_ Mila

условиях,

- выработка новых методик определения параметров устойчивости выработок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тавостин М.Н. Обоснование и разработка методов определения реологических параметров каменной соли для оценки устойчивости подземных хранилищ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2001.

2. Shafarenko, E.M., Tavostin M.N. et al. Stability of Underground Cavities in Rock Salts, Solution Mining Research Inst., Spring Meeting, Cracow, 1997.

3. Shafarenko, EM., Zhuravleva, T.Y. Deformation of Underground Deep Cavities in Rock Salts at Their Long-Term Operation. - In: Proceedings of the Sixth Annual International Conference. Las Vegas, Nevada, 1995.

— Коротко об авторах ----------------------------------------

Воронов Г.А. - студент, Московский государственный горный университет.

---------------------------------- © В.И. Шейнин, Д.И. Блохин, 2005

УДК 622.83

В.И. Шейнин, Д.И. Блохин

ИНФРАКРАСНАЯ ДИАГНОСТИКА ОТКЛИКА ГЕОМАТЕРИАЛОВ НА НАГРУЖЕНИЯ, МОДЕЛИРУЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХАРАКТЕРНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ *

Семинар № 2

Современное горное производство характеризуется воздействием на геологическую среду различных техногенных источников, индуцирующих возникновение и протекание в массиве сложных механических процессов. К таким источникам относятся, например, взрывы, искусственные «посадки» кровли и т.п., а также вибрации, создаваемые при работе мощных машин и механизмов [1]. Для достоверного контроля и прогноза геоди-намических процессов, протекающих в услови-

ях таких воздействий, наиболее эффективно использование экспериментальных методик, в основу которых положены физические модели, однозначно связывающие регистрируемые физические параметры с определяемыми вариациями механических величин.

В настоящем сообщении приводятся основные идеи методики идентификации процессов упругого деформирования геоматериалов по результатам измерений мощности инфракрасного излучения с их поверхности и описы-

*Работа выполняется при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта № 0305-64447