CC BY
39
УДК 622.52
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФИЛЬТРАЦИИ ФЛЮИДОВ В КАМЕННУЮ СОЛЬ ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ
В.П. Малюков
Кафедра горного и нефтяного дела Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, д. 3, 117419, Москва, Россия
Впервые получены закономерности инфильтрации флюидов в каменную соль прикон-турной зоны подземной выработки в процессе строительства, эксплуатации, испытания на герметичность.
При проведении эксперимента на скважине «Этрез» (Франция) были получены параметры инфильтрации (проникновения в каменную соль) насыщенного рассола и газа (азота) при соответствующих градиентах давления текущей среды (противодавления) [1]. По этим данным построен график (рис. 1) изменения дебита инфильтрации в каменную соль в зависимости от градиента давления[2].
Важным этапом в понимании протекания процесса инфильтрации является оценка поведения кривой напряжение-деформация (на графике: градиент давления - объём закачки флюида), характеризующаяся определёнными закономерностями. При этом на ходе деформационной кривой отражается стадийность деформационного течения. На графике можно выделить три стадии процесса (схожие и для
насыщенного рассола и для газа), и которые характеризуют развитие процесса проникновения флюида в каменную соль при соответствующих градиентах давления.
При инфильтрации рассола в массив происходит дополнительный процесс тре-щинообразования в приконтурной зоне по сравнению с естественной трегциновато-
Рис. 1. Изменение дебита инфильтрации флюида в каменную соль в зависимости от градиента давления 1 - насыщенный рассол; 2 - газ; I, II, III - стадии процесса
стью, так же и на поверхности контура в процессе массопереноса.
При инфильтрации газа в каменную соль приконтурной зоны подземного резервуара развивается техногенная трещиноватость и возникает дилатансионное расширение, сопровождающееся увеличением порового объёма в этом слое. Это приводит к падению порового давления и эффекту засасывания флюида в подвергающийся дилатансии объём Такой эффект приводит к резкой периодической смене режимов инфильтрации газа в каменную соль на каждой стадии. В определённый момент дилатансионное расширение сменяется режимом сжатия.
При анализе результатов исследований за изменением проницаемости образцов при увеличении внутрипоро-вого давления при постоянном внешнем (рис. 2) были обнаружены интервалы давления, когда проницаемость остаётся без изменения (горизонтальные участки на графике).
В зависимости от величины конвергенции и инфильтрации в приконтурной зоне подземной выработки происходит изменение физикомеханических свойств в каменной соли.
П.А. Ребиндером открыт эффект адсорбционного понижения прочно-горных пород от внутрипорового давления при ста твёрдых тел при деформациях, постоянном внешнем давлении согласно которому прочность твёр-
дого тела значительно понижается, если разупрочнение сопровождается проникновением в растущие трещины раствора, смачивающего поверхность разрушения в процессе её образования.
При инфильтрации рассола в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки происходит физико-механическое воздействие раствора на породу. При этом снижается поверхностная энергия и понижается прочность породы по каналам проникновения раствора. Раскрываются трещины и поры, порода разрушается по областям минимальной прочности под действием избыточного давления. Основными факторами, определяющими процесс в приконтурной зоне выработки при инфильтрации флюида, являются рост трещин и разрушение каменной соли. При инфильтрации флюида в каменную соль процесс разупрочнения породы протекает с образованием зон разупрочнения.
В зависимости от свойств горного массива и соотношения величин горного давления и противодавления в выработки изменяется местонахождение флюидового барьера от контура выработки. При проникновении флюида в приконтурный массив каменной соли происходят качественные изменения микроструктуры среды, которые резко меняют её свойства. На границе передвижения флюида происходят некоторые кинетические процессы, которые определяют скорость движения границы. При этом возникают явления, связанные со скачкообразным изменением свойств среды, напоминающие фазовые переходы.
Д^1п«ни« . МПа
Рис. 2. Изменение проницаемости образцов
При инфильтрации, в процессе деформирования, горная порода испытывает ряд состояний, смена которых происходит в критических точках. По существу, в разрушающемся материале возникают синергетические эффекты [3]. Неравновесные процессы, определяющие нелинейное поведение систем, можно описать и в рамках макротермодинамики [4], если учитывать стадийность и иерархичность процессов, а переходы от одной стадии к другой связывать с точками неравновесных фазовых переходов (точками бифуркации).
Согласно представлениям С.Н. Журкова разрушение твёрдого тела является кинетическим термофлуктуационным процессом зарождения микродефектов под воздействием приложенного напряжения [5].
Получены аналитические зависимости для определения параметров точек бифуркации различных стадий процесса инфильтрации рассола в каменную соль при-контурной зоны подземной выработки.
При инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки происходит увеличение давления и отжим породы в сторону свободной поверхности в дополнение к конвергенции (смещение приконтурной зоны в сторону выработанного пространства). Инфильтрацию флюида в каменную соль приконтурной зоны можно рассматривать как механизм увеличения массопереноса.
Величина разупрочнения каменной соли приконтурной зоны при инфильтрации зависит от степени заполнения трещинно-порового пространства флюида.
Одним из основных направлений в области геомеханики является разработка методов определения максимального и минимального (буферного) давление флюида в подземной выработке - ёмкости (при строительстве, эксплуатации, испытании на герметичность и др.) и исследование изменения свойств соли в окрестности выработки (при инфильтрации, конвергенции и др.).
В работе использованы материалы отечественных и зарубежных экспериментальных и теоретических исследований поведения соли в предельных условиях, когда давление подземной выработки повышается или снижается [6, 7; Solution Mining Research Institute - SMR1 - 1999, FALL],
В зарубежных источниках указывается на величину интервала изменения проницаемости каменной соли от 10'21 до 10'19 м2 и выражается идея, что постоянного значения проницаемости соли не существует. Средняя проницаемость каменной соли, измеренная в скважинах, по величине на один или два порядка больше, чем проницаемость образцов керна, отобранных из той же скважины. При проведении испытания в натурных условиях по определению проницаемости в приконтурной зоне скважины установлено, что на расстоянии 0,5 м. от стенки скважины значение зафиксированной проницаемости было ниже 2x10‘24 м', а пористость - 0,2% .
При инфильтрации флюида в каменную соль ряд явлений протекают совместно: раскрытие трещин, пластические и микропластические деформации, развитие нарушений структуры из-за взаимодействия флюида и твёрдой матрицы.
При понижении поверхностного натяжения на границе соль - рассол происходит самопроизвольное проникновение рассола в поликристаллы NaCl с появлением сети жидких межзерновых прослоек и образованием в объёме бесконечного перко-ляционного кластера [8].
Реальное влагосодержание природных солей меньше 0,5%, при средней толщине межзерновых прослоек около 10’7 м [9]. Проницаемость каменной соли приконтур-
ной зоны подземной выработки обеспечивается наличием флюида на межфазных границах.
На Астраханском газоконденсатном месторождении были выполнены натурные исследования по изменению деформированного состояния породного массива в окрестностях горной выработки [10]. Процессы массопереноса в подземном резервуаре характеризуются рядом факторов, в том числе смещением контура выработки, обусловленным ползучестью каменной соли (способностью соли пластически деформироваться и течь в направлении меньшего давления), а также протеканием конвергенции и инфильтрации флюида в приконтурный массив каменной соли в зависимости от соотношений давлений.
В 1980-1984 гг. на территории АГКМ в массиве каменной соли были созданы спецметодом подземные резервуары для строящегося газоперерабатывающего завода. К 1990 г. часть подземных емкостей потеряла промышленные объёмы. На устье возникло избыточное давление.
При расчёте необходимых величин противодавления в подземных резервуарах, созданных спецметодом, не рассматривалось влияние инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны на конвергенцию в процессе повышения давления в выработке. При циклических изменениях давления подземной выработки происходит раскрытие и сжатие трещин в каменной соли приконтурной зоны, соответственно при инфильтрации или истечении флюида из породы. При значении противодавления выше порогового происходит инфильтрация в каменную соль приконтурной зоны, а при снижении давления после инфильтрации происходит ускоренная конвергенция. При этом возникает проблема размещения определённых объёмов жидкости, вытекающих из скважины на период отсутствия пункта захоронения. Для снижения темпа конвергенции и предотвращения инфильтрации выполнен расчёт по определению величины противодавления. Ещё до ввода в эксплуатацию пункта временного хранения радиоактивных отходов были проведены расчёты по определению давления в выработке для снижения темпа конвергенции на рассолозаполненных подземных емкостях с целью уменьшения выхода на поверхность жидкости.
В настоящее время многие специалисты считают каменную соль приконтурной зоны подземной выработки практически не проницаемой в процессе строительства, эксплуатации, испытания на герметичность.
При инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки в процессе испытаний на герметичность опрессовкой (повышением давления на устье скважины до испытательного) может происходить утечка флюида (рассола и испытательного флюида). При этом понижается уровень раздела испытательный флюид - рассол.
Разрушение каменной соли приконтурной зоны подземной выработки при инфильтрации флюида может приводить к деформации приконтурной зоны, обсадной колонны, ускоренной конвергенции и уменьшению объёма подземной выработки, а также другим негативным последствиям. Таким образом, в проблеме воздействия на приконтурную зону объединены технологические, экономические и экологические аспекты. В теоретическом и экспериментальном плане вопрос об инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны подземного резервуара при повышении противодавления изучен недостаточно для различных месторождений.
Инфильтрация флюида в каменную соль приконтурной зоны приводит к существенному увеличению области пластической деформации у стенки подземной выработки.
Существует критическое значение противодавления (критическое давление) при инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны, при котором возникает эффективное растягивающее напряжение, которое превышает прочность каменной соли на разрыв и приводит к раскрытию трещин, разрушению приконтурной зоны выработки (ПЗВ).
Противодавление, при котором начинается инфильтрация флюида в каменную соль приконтурной зоны выработки называется пороговым. Для каменной соли скважины «Этрез» некоторая инфильтрация отмечена при значении градиента давления 0,0145 МПа/м (пороговое давление - 14,06 МПа, что составляет 0,64 от горного давления). Начало инфильтрации отмечено при градиенте давления насыщенного рассола 0,0156 МПа/м (критическое давление - 15,13 МПа, это 0,69 от горного давления).
В отечественной практике при проведении испытаний на герметичность коэффициент надёжности по нагрузке принимается 0,85 [11]. Этот коэффициент для рассматриваемого объекта значительно превышает коэффициент критического давления (0,69), при котором происходит инфильтрация флюида в каменную соль. Не-учёт коэффициента критического давления приводит к тому, что в процессе испытаний на герметичность при инфильтрации происходит закачка флюида в каменную соль приконтурной зоны, а затем, при падении давления в выработке, происходит истечение флюида из породы.
Проведенные исследования позволили получить такое критическое давление, при котором происходит инфильтрация рассола в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки. В работе рассмотрены различные аспекты возможного влияния инфильтрации при строительстве, эксплуатации и испытании на герметичность подземных выработок в каменной соли [12-15].
ЛИТЕРАТУРА
1. Desgree P., Durup J.-G. Behaviour of in situ sail at extremely high pressure levels. /International Gas Research conference Cannes, France. - 1995. - pp.240-252.
2. Малюков В.П. Натурные исследования процессов массопереноса в приконтурной зоне подземных резервуаров в каменной соли //Горный информационноаналитический бюллетень, №11, 2002. - С. 220-224.
3. Хакен Г. Синергетика: иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. - М.: Мир. - 1984.
4. Гладышев Г.П. Термодинамика и макрокинетика природных иерархических процессов. - М.: Наука. - 1998.
5. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. - М.: Недра. - 1988.
6. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидомеханика. - М.: Недра. - 1996.
7. Пятахин М.В., Шеберстов Е.В., Бузинов С.Н., Казарян В.П. Упруго-пластическая деформация и разрушение пласта в окрестности цилиндрического открытого забоя при нелинейном законе фильтрации. Подземное хранение газа. Проблемы и перспективы.- М.: ВНИИГАЗ. - 2003. - С. 279-304.
8. Скворцова З.Н., Траскин В.Ю. Влияние радиационного облучения на деформацию каменной соли в контакте с рассолом //Геоэкология. №1. - 2003. - С. 70-76.
9. Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. - Д.: Недра. - 1973.
Ю.Малюков В.П., Фёдоров Б.Н., Шафаренко Е.М. Натурные исследования устойчивости массива каменной соли в окрестности подземного резервуара /Материалы Международной конференции по подземному хранению газа. Секция С, ч.1.-М., 1995.-С. 93-95.
11 .Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. - СП 34-106-98, М. - 1999.
12.Малюков В.П., Воробьёв А.Е. Влияние увлажнения и сред на физикомеханические свойства соляных пород из интервала подземной выработки //В сб.: Развитие идей М.И. Агошкова в области комплексного освоения месторождений полезных ископаемых.- М.: ИПКОН РАН. - 2005. - С. 75-78.
13.Казарян В.А., Малюков В.П. Подземное хранение газонефтепродуктов и энергообеспечение //6я Научно- техническая конференция посвящённая 75- летию Российского государственного университета нефти и газа им И.М. Губкина. - М., 2005. - С. 178-179.
14.Малюков В.П. Природоохранная и энергосберегающая технология подземной сепарации продуктов продавки эксплутационных скважин газоконденсатного месторождения //3-я международная конференция «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр». - М.: Изд-во РУДН.-С. 98-100.
RESEARCH OF THE INFILTRATION OF FLUIDS IN MINERAL SALT ATCONTACT OF ZONE OF THE UNDERGROUND WORKING
V.P. Malyukov
The department of Mining and oil business Peoples’ Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, 117419, Moscow, Russia
Regularity of fluid infiltration to near contour zone rock-salt of underground output has been received for the first time in the process of construction, exploitation and test for hermetical qualities.
Малюков Валерий Павлович, канд. техн. наук, доцент кафедры Горного и нефтяного дела Российского университета дружбы народов, автор 70 работ в области эффективного захоронения газов в специально сформированных в литосфере хранилищах.
