CC BY
63
© В.П. Малюков, 2002
УДК 69.035.4:622.363.1
В.П. Малюков
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЕ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ
ри строительстве подземных хранилищ углеводородов в каменной соли с подачей растворителя через буровую скважину, в подземном резервуаре происходят различные процессы теп-ломассопереноса. Проведены экспериментальные, натурные и аналитические исследования процессов мас-сопереноса. Выполнены натурные исследования каменной соли по изменению деформированного состояния породного массива в окрестности горной выработки.
Массоотдача и массоперенос при создании подземной горной выработки в каменной соли при гидродинамическом воздействии на поверхность связаны с рядом одновременно протекающих явлений: в твёрдом теле вблизи контура подземного резервуара (ПР), на контактной поверхности «твёрдое тело-жидкость», многоструктурном пограничном слое, а также в основном объёме растворителя, которые характеризуют процесс взаимодействия породы и растворителя.
Процессы массопереноса в подземном резервуаре характеризуются: подвижкой контура при строительстве в процессе растворения каменной соли; смещением контура выработки, обусловленным ползучестью каменной соли (способностью соли пластически деформироваться и течь в направлении меньшего давления) — конвергенцией; возможно, одновре-
Пменным протеканием конвергенции и инфильтрации насыщенного рассола в прикон-турный массив каменной соли, в зависимости от соотношений избыточного давления и противодавления; а также физико-химическими, термобарическими и гидродинамическими условиями на различных технологических этапах.
Теория дислокаций описывает явление зарождения субмикротрещин —
инициирование процесса разрушения. При механическом нагружении наибольшей вероятностью протекания неупругих микродеформаций (зарождения микротрещин) обладают области около пор. Появление микротрещин обусловлено в основном двумя механизмами: пересечением полос
дислокационного скольжения между собой и пересечением полос скольжения с границами зёрен и полосами сброса [1].
Исследования закономерностей разрушения горных пород свидетельствуют о существенной роли объёмного разрушения, сопровождающегося множественным зарождением и ростом несплошностей.
Трещинообразование в соляных породах является многофакторным процессом, зависящим как от специфики внешнего воздействия, так и от особенностей строения массива.
Процесс массопереноса характеризуется элементами рельефа поверхности растворения, который состоит из слоя шероховатостей и слоя неровностей. Ползучесть каменной соли может быть математически описана в рамках структурной модели уравнениями механики тел с большим числом трещин. Каменная соль характеризуется высокой степенью начальной микротрещиноватости. Для исследования микротрещин использовался микроанализатор с максимальной разрешающей способностью 1,5-2,0 мкм [2].
При рассмотрении естественной трещиноватости образцов каменной соли из Сеитовского купола АГКМ выделены три вида трещин.
При обработке шлифов на микроанализаторе были получены усреднённые параметры трещин: средняя длина трещин — 10 = 0,12 см; среднее раскрытие трещин, как отношение общей площади трещины к суммарной длине — 5о = 2,4-10-3 см; удельная
плотность трещин, как отношение суммарной длины трещин к площади шлифа — ю0 = 10,8 см-1; количество ветвей трещин на единичной площади П0 = 61.
При рассмотрении микротрещиноватости образцов после нагружения (до 0,5 стс, где стс — предел прочности на одноосное сжатие) отмечается появление систем определённым образом ориентированных трещин, уве-чшчение ихгх пликгноотии , изменение удельного веса трещин всех трёх типов. Наблюдался рост числа открытых трещин, более чётко была видна системность в расположении и ориентировке трещин, не связанных с гранями кристалла, произошло снижение концентрации микротрещин за счёт слияния и образования более крупных трещин.
Структура порового пространства каменной соли представлена: порами круглой формы; порами овальновытянутой формы; линейными элементами (границы зёрен, трещины). После деформации наблюдается увеличение ширины раскрытия линейного элемента в 25 раз по сравнению с ненарушенным образцом [3].
При гидродинамическом воздействии растворителя на поверхность каменной соли количественной характеристикой нарушения сплошности поверхности служит суммарная площадь вновь образованных поверхностей от развития шероховатости и кратеров. Очевидно, что шероховатость поверхности каменной соли при гидродинамическом воздействии, как и образуемые при этом неровности, является вновь образованной структурной неоднородностью, т.е. при гидродинамическом воздействии образуется двухуровневый рельеф поверхности массоотдачи каменной соли.
Средний объём шероховатости поверхности растворения каменной соли или, иначе, объём трещиноватости на единичной площади (принимая коэффициент увеличения площади К = 2,69, среднюю высоту шероховатости — 200 мкм), получен в 25,5 раза больше по отношению к среднему объёму естественной трещиноватости на единичной площади. Если оценивать повышение естественной трещиноватости, связанное с появлением новых трещин при изготовлении
ПАРАМЕТРЫ ПОЛЗУЧЕСТИ КАМЕННОЙ СОЛИ В ОКРЕСТНОСТИ ПОДЗЕМНОГО РЕЗЕРВУАРА
Избыточное давление, Ри, МПа Смещение контура, мм/мес. Показатель 5Ри/Е, С-0,3 Параметр 5, С-0,3
7,8 3,65 1,0559!0'6 0,00206
6,30 2,8 0,8Г10'6 0,00197
5,35 2,26 0,6538!0'6 0,00187
шлифов, то средний объём шероховатости поверхности растворения каменной соли на единичной площади превышает аналогичный объём естественной трещиноватости в 63,8 раза
[4].
Сравнение параметров шероховатости, неровностей поверхности растворения каменной соли и естественной трещиноватости характеризует поверхность контакта твёрдое тело — жидкость при растворении, конвергенции, инфильтрации, а также естественную трещиноватость материала за контуром подземного резервуара.
1. Реологические показатели каменной соли в окрестности подземного резервуара
Экспериментальное исследование процессов деформирования соляных пород ориентировано на регистрацию различных форм проявления избыточного давления в сочетании с противодавлением жидкости или газа в подземном резервуаре.
Проведены натурные исследования на скважине подземного резервуара каменной соли, построенного методом растворения, которые фик-
сируют изменения деформированного состояния породного массива в окрестности горной выработки.
Натурные исследования выполнены на Астраханском газоконденсатном месторождении (АГКМ) по окончании строительства подземного резервуара [5].
На соляном массиве Сеитовского купола АГКМ проведены структурно-геодинамические исследования, сейсмические исследования, исследования физико-механических характеристик каменной соли, выполнена оценка устойчивости и конвергенции подземных резервуаров, проведены натурные наблюдения за ростом давления на скважинах подземных резервуаров, которые позволяют получить реальные характеристики породного массива в окрестности ПР для конкретных горногеологических условий и различных сочетаний факторов техногенного воздействия на окружающий массив.
В процессе натурных исследований на подземном резервуаре, сооруженном методом растворения, на начальном этапе фиксируется дебит изливающегося рассола на открытом оголовке скважины при постоянном давлении столба насыщенного рассола. Затем на закрытом оголовке фиксируется изменение давления во времени при изменяющемся давлении на устье скважины. Наблюдения проводились на тот период, когда в подземном резервуаре находился насыщенный рассол при температуре окружающего массива.
В результате выполненных натурных исследований получена зависимость темпа роста давления от ве-
личины противодавления. С ростом давления на устье уменьшается темп роста давления, существенно снижается, приближаясь к минимальному значению на определенном этапе (рис. 1).
Для количественной оценки параметров ползучести каменной соли при-контурной зоны подземного резервуара в натурных условиях применена методика, в которой используются данные замеров радиальных перемещений породного контура выработки на соляных рудниках [6].
При этом используется модель пересчёта замеренных величин, характеризующих деформируемость вмещающих подземное сооружение пород во времени, на параметры ползучести. Породный массив в окрестности выработки рассматривается как однородный, а его вязкоупругие деформации описываются интегральным уравнением с абелевым ядром ползучести.
Деформационно-реологичес-кий показатель приконтурных пород в окрестности подземного резервуара, заполненного насыщенным рассолом, представим в виде 5 (уп - Ур)Н/Е, где уп — средний объёмный вес вышележащих пород, Ур — объёмный вес насыщенного рассола, Н — глубина выработки, Е — модуль Юнга.
По результатам измерений свободного излива насыщенного рассола из подземного резервуара и роста давления на устье скважины при закрытой задвижке рассчитаны смещения прикон-турных пород вокруг выработки и выполнена оценка деформационнореологических характеристик каменной соли (см. таблицу).
Принимается, что естественное напряженное состояние соляного купола в окрестности рассматриваемого резервуара близко к геостатическому [5]. Подземный резервуар цилиндрической формы (радиус R = 8,2 м, высота И — 91 м, глубинаН —722,5 м, Е = 1,53104 МПа, безразмерный параметр ползучести каменной соли а = 0,7).
Параметр смещения контура подземного резервуара — 3,65 мм/мес. (0,12 мм/сут.), при свободном изливе насыщенного рассола согласуется с величиной скорости течения, полученной в других работах. «Натурный» параметр
Рис. 1. Зависимость темпа роста давления от давления на устье подземного резервуара
Рис. 2. Зависимость смещения породного контура подземного резервуара от времени при естественном росте давления на устье скважины
Рис. 3. Изменение деформационно-реологического показателя каменной соли в окрестности подземного резервуара
Рис. 4. Изменения дебита инфильтрации флюида в каменную соль в зависимости от градиента давления: 1 — насыщенный рассол; 2 — газ; I, II, III — стадии процесса.
ползучести 5 каменной соли на Березниковском руднике (Урал, глубина 480 м) составляет 0,0044 С-0,3 при а = 0,7. Очевидно, величина параметра ст зависит от уровня нагружения.
Зависимость смещения породного контура подземного резервуара, заполненного насыщенным рассолом, от времени при закрытой задвижке на устье скважины - линейна (рис. 2).
В рассматриваемом случае, в отличие от соляных рудников, величина смещения уменьшается при снижении избыточного давления.
Изменение деформационно-
реологического показателя каменной соли породного контура подземного резервуара при свободном изливе рассола вглубь массива (рис. 3), где г — расстояние от контура в глубь массива) показывает, что с удалением в глубь массива деформативность приконтурных пород уменьшается.
5 Ри/Е|г = R + 1 = 0,94 10-6 С-0,3;
5 Ри/Е|г = R + 2 = 0,85 10-6 С-0,3;
5Ри/Е|г = R + 3 = 0,77 10-6 С-0,3. “Натурный” параметр ползучести характеризует некоторую “агрегатную” ползучесть материала и учитывает вид напряженного состояния прикон-турных пород в окрестности выработ-
ки, а также соотношение между действующими напряжениями и прочностными характеристиками породы в массиве. Приведенные выше значения “натурного” параметра 5 характеризуют дефор-мативность во времени каменной соли породного контура подземного резервуара при изменяющихся величинах избыточного давления.
2. Текучесть соли и инфильтрация рассола в подземном резервуаре
При проведении эксперимента на скважине “Этрез” [7] получены параметры инфильтрации (проникновение в каменную соль) насыщенного рассола и газа (азота) при соответствующих градиентах давления текущей среды (противодавления). По этим данным построен график (рис. 4) изменения дебита инфильтрации в каменную соль в зависимости от градиента давления. На графике можно выделить три стадии процесса, которые практически схожи и для насыщенного рассола и для газа, несмотря на определенные отличия, и которые характеризуют развитие процесса проникновения флюида в каменную соль при соответствующих градиентах давления. Из приведенного рис. 4 видно, что при инфильтрации возможны различные механизмы проникновения флюидов в каменную соль для жидкости и газа.
По данным [7] при одинаковых условиях 3 м насыщенного рассола проникли в массив на расстоянии 0,6 м, а 27 м3 газа проникли в массив примерно на
1,8 м, следовательно газ проник в массив на большую глубину. При этом можно отметить, что объём газа, находящегося в единице объёма соли составляет 4,8-10-3 м3/м3. Для насыщенного рас-
сола это отношение составляет 39,510м3/м3. Следовательно, газ проник в массив на значительно большее расстояние, но при значительно меньшем объёме газа, находящегося в единице объёма соли, по сравнению с насыщенным рассолом. В работе [7] принято значение градиента гидростатического давления насыщенного рассола в каменной соли 0,012 МПа/м и отмечена некоторая инфильтрация при значении градиента давления 0,0145 МПа/м. Разность градиента составила 0,0025 МПа/м. Этот “излишний градиент” для рассматриваемой глубины составляет 2,5 МПа, что совпадает с соответствующим прочностным свойством рассматриваемой каменной соли на растяжение (2,5 МПа). Возможно, объяснение этого факта состоит в том, что для инфильтрации прилагаемые напряжения должны компенсировать “недос-таток” значения градиента гидростатического давления насыщенного рассола в каменной соли и преодолеть сопротивление каменной соли. Если принять такое предложение, то полученные при эксперименте на “Этрез” данные по инфильтрации можно будет использовать для каменной соли других месторождений с учётом различия прочностных свойств.
При изменении градиента давления происходит изменение соотношений параметров, характеризующих конвергенцию и инфильтрацию.
При изменении градиента давления одновременно и взаимосвязано могут действовать несколько механизмов: мас-соотдача, массообмен, конвергенция, инфильтрация, изменение объёма пор и трещин, трещинообразование (в при-контурной зоне).
В результате проявления ползучести каменной соли (конвер-генции) увеличивается давление в ПР (в этом случае конвергенцию можно рассматривать как механизм повышения давления), при этом происходит увеличение инфильтрации насыщенного рассола (инфильтрацию можно рассматривать как механизм снижения давления). В зависимости от величины конвергенции и инфильтрации в приконтурной зоне ПР происходит изменение физико-
механичес-ких свойств каменной соли.
При закрытой задвижке на устье скважины в подземном резервуаре по окончании его строительства происходит естественный процесс роста противодавления при одновременно протекающих конвергенции, инфильтрации, изменения объёма пор и трещин, тре-щинообразования в каменной соли при-контурной зоны (когда градиенты давления флюида больше указанных начальных градиентов инфильтрации). Для “Этреза” при дебите инфильтрации
0,18 л/ч градиент давления насыщенного рассола — 0,0156 МПа/м (это практически первая точка после начала инфильтрации). Соответственно, при градиенте давления 0,0171 МПа/м и дебите инфильтрации 0,215 л/ч (скв.“Этрез”) инфильтрация в ПР составит ~ 0,8 от величины конвергенции при свободном изливе, с учётом уменьшения значения конвергенции при увеличении градиента давления, это, возможно, совпадает с зависимостью, изображенной на рис.1 (приближение к минимальному значению, т.е. практическому соотношению изменения объёма рассола ПР за счёт конвергенции и инфильтрации при закрытой задвижке на оголовке при естественном росте давления на устье скважины, или, условно, это точка равенства изменения объёма рассола ПР за счёт конвергенции и инфильтрации). При больших величинах градиента давления насыщенного рассола (или другого флюида) в подземном резервуаре конвергенция может значительно увеличиваться по сравнению с конвергенцией при свободном изливе.
В зависимости от соотношений величин градиента геостатического давления и градиента давления флюида в ПР происходит взаимодействие механизмов конвергенции и инфильтрации, при этом в реальных условиях в верхней части подземной выработки, заполненной насыщенным рассолом достигают
наибольших значений трещинообразо-вания и смещения (конвергенция), а в нижней части — инфильтрация.
Очевидно, что при прочих равных условиях, с ростом глубины заложения ПР уменьшается значение градиента давления текучей среды, при котором начинается инфильтрация. При увеличении давления (внутрипородной) жидкости может существенно снизиться критическое касательное напряжение, и, соответственно, коэффициент трения [8]. При инфильтрации в приконтурной части подземного резервуара зона тре-щинообразования с флюидом может приобрести свойства “смазочного слоя”, что способствует увеличению конвергенции.
3. Характеристика стадий инфильтрации рассола в приконтурный массив каменной соли методами кинетической теории прочности
Влияние флюида на массообменные процессы на поверхности каменной соли и на приконтурный массив отличают ПР от горных выработок, получаемых при разработке соляных месторождений.
В соляных рудниках трещиноватость приконтурного массива гиперболически растёт с приближением к контуру горной выработки. При инфильтрации в ПР трещиноватость массива уменьшается при удалении от контура выработки. При инфильтрации рассола в массив происходит дополнительный процесс трещинообразования в прикон-турной зоне по сравнению с естественной трещиноватостью, так же как и на поверхности контура в процессе массо-переноса.
Трещинообразование рассматривается как процесс накопления повреждений. При инфильтрации в качестве меры поврежденности рассматривается объём закачанной жидкости. Разрушение приконтурного массива при инфильтрации является многостадийным кинетическим процессом.
Используя результаты работы Desgгee Р., Шгир J. [7] и применяя методы кинетической теории прочности [9?] определены значения порогового касательного напряжения (порогового значения напряжения) для различных стадий при изменении дебита инфильтрации рассола в каменную соль. Полученные значения практически совпадают с величинами градиентов давления для переходных точек стадий при инфильтрации рассола в приконтурный массив ПР [10].
Выводы
1. Для натурных условий при давлениях, которые вызывают значительное напряжение вблизи контура — поверхности растворения и изменения микротрещиноватости, конвергенции и инфильтрации, определён средний объём шероховатости поверхности массопере-носа каменной соли на единичной площади, который превышает аналогичный объём естественной трещиноватости в
63,8 раза.
2. Определена величина деформационно-реологического показателя каменной соли 5Ри/Е в окрестности подземного резервуара при различных значениях избыточного давления и на различных расстояниях в глубь массива. Определена величина “натурного” параметра ползучести 5 каменной соли.
3. На основе исследований на месторождении каменной соли “Этрез” (Франция) рассмотрен механизм инфильтрации для рассола и газа (азота), а также сочетание инфильтрации и конвергенции.
Используя методы кинетической теории прочности, определены значения давлений для переходных точек стадий процесса, которые практически совпадают с величинами градиентов давления при инфильтрации в приконтурный массив каменной соли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зильбершмидт В.Г., Зильбершмидт В.В., Наймарк ОБ Разрушение соляных пород. М., 1992.
2. Скрипка В.П., Федулин В.Л. Микротрещиноватость каменной соли при ползучести. Новосибирск, Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, N° 4, 1991.
3. Parfenov V.I., Bochkareva R.V., Shafarenko EM., Sohranskij V.B. Influence of stress-strain state change on rock salt shielding properties. SMRI Meting, Rome, 1998, pp. 407-415.
4. Maljukov V.P. Mass exchange in an underground reservoir at the manifestation of salt flow and brine infiltration. SMRI. Fall Meeting, El Paso, 1997, pp. 117-129.
5. Малюков В.П., Фёдоров Б.Н., Шафаренко ЕМ. Натурные исследования устойчивости массива каменной соли в окрестности подземного резервуара. Международная конференция по подземному хранению газа. М., 1995, Секция С, ч.1, с. 93-95.
6. Барях АА., Константинова СА., Асанов ВА. Деформирование соляных пород. Екатеринбург, 1996.
7. Desgree P., Durup J.-G. Behaviour of in situ satl at extremely high pressure levels. Jnternational Gas Research conference Cannes, France, 1995, pp. 240-252.
8. Надаи А. Пластичность и разрушение твёрдых тел. Том 2. М., 1969.
9. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 15
М., Недра, 1988, с. 271. underground cavern. 8th World Salt Symposium. Amsterdam. 2000. V.1.
10. Maljukov V.P. Mass transfer in the zone adjacent to the contour of an Pp.291-293.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Малюков В.П. - научный сотрудник ООО «Подземгазпром».
