Допустимое разрыхление каменной соли как критерий устойчивости подземных хранилищ газа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

44 © Т.Ю. Журавлева, Е.С. Оксенкруг, Л.Н.Кислер, 2001

УДК 622.013.2:69.035.4

Т.Ю. Журавлева, Е.С. Оксенкруг, Л.Н. Кислер

ДОПУСТИМОЕ РАЗРЫХЛЕНИЕ КАМЕННОЙ СОЛИ КАК КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА

Введение

Сооружение подземных резервуаров для хранения газонефтепродуктов в отложениях каменной соли приводит к деформированию массива в окрестности выработок. Возникающие в процессе деформирования микроразрушения являются причиной разуплотнения при-контурной зоны. Для безопасной и рациональной эксплуатации подземных резервуаров в отложениях каменной соли ранее были сформулированы следующие критерии устойчивости [1]:

• не вся поверхность резервуара принадлежит области запредельного деформирования (ОЗД);

• объем ОЗД в окрестности кровли не превышает заданного значения У^;

• максимальный размер ОЗД в кровле в направлении, нормальном поверхности резервуара, не превышает 0,04 I, где I - пролет кровли;

• растягивающие напряжения в породном массиве не превышают прочности породы на растяжение.

Уравнение состояния принятой нами математической модели Е.М. Шафаренко, отражающее зависимость объемных напряжений и деформаций, имеет следующий вид

Г = Кеу - — (! - ехр(-Р^)) (1)

т

К = —^~

1 - 2v

где - сумма главных напряжений; Г,■ - интенсивность касательных напряжений; Бу - объемная деформация; t - время; К - модуль объемного сжатия; Е - модуль деформации; V - коэффициент Пуассона; т, п, ¡, р- параметры.

При расчетах устойчивости подземных хранилищ второй член правой части уравнения (1), описывающий разрыхление каменной соли, опускался. Критерии устойчивости,

мулированные выше, были разработаны именно для такой модели. Учет этой части уравнения позволит более точно описать поведение каменной соли в окрестности подземной выработки. В связи с этим никает необходимость в ботке новых критериев устойчивости, одним из которых может являться пустимая величина разрыхления массива.

Лабораторные исследования

Как известно, соляные породы являются телами упруго-пластическими и характеризуются большими деформациями ползучести при постоянной нагрузке во времени. Скорость деформирования каменной соли изменяется в зависимости от стадии ползучести. Прогноз допустимых объемных деформаций осуществлялся на основании исследования зависимости объемных деформаций от скорости деформирования на различных стадиях ползучести.

Для прогноза допустимого разрыхления каменной соли проводились долговременные исследования (в течение 6000-9000 ч) на ползучесть цилиндрических образцов (диаметром 36 мм и высотой 70 мм) каменной соли Тульской и Оренбургской площадей в условиях одноосного сжатия. Испытывались образцы двух литологических разновидностей каменной соли [2]: УШ -разнозернистой с элементами собирательной перекристаллизации (Тульская площадь) и III -крупнозернистой с элементами первичной седиментации (Оренбург-ская площадь). Каменная соль VIII разновидности достаточно хрупкая, а III - пластичная. Следует отметить, что мгновенная прочность на одноосное сжатие обеих разновидностей каменной соли одинакова и составляет Гс = 27 МПа. Испытания проводились при уровнях напряжений 0,8Гс; 0,7Гс; 0,6Гс; 0,5Гс; 0,4Гс и 0,3 Гс, причем при каждом уровне напряжений испытывалось по три образца-близнеца.

0.0007

0.0006

Т, час 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1, час

Рис. 1. Изменение интенсивности деформаций сдвига во времени: а) - Тула, б) - Оренбург

По результатам испытаний построены усредненные кривые £■К, характеризующие развитие интенсивности деформаций сдвига Єі во времени t (рис. 1) и усредненные кривые Єу-^ характеризующие развитие во времени объемных деформаций Єу (рис. 2).

По стандартной методике исследований пара-

0,6 7с для образцов каменной соли Тульской

площади и 0,5 7с - для образцов каменной соли Оренбургской площади. Анализ кривых ползучести, полученных при напряжениях, соответствующих пределам длительной прочности (рис. 1), позволил выделить три стадии ползучести:

метр длительного деформирования каменной со-

^ да

ли - предел длительной прочности Г , определяется в результате проведения испытаний серии образцов каменной соли в течение 500-800 часов. При этом за предел длительной прочности принимается максимальное напряжение, при котором не происходит разрыхления образца. В результате проведенных испытаний был определен предел длительной прочности, который составил

неустановившейся, установившейся и прогрессирующего течения.

При напряжениях, составляющих 0,3 7с (рис. 1б), деформации 0! в течение 9000 часов носят затухающий характер. Указанный процесс, как видно из сопоставления этих кривых с аналогичными кривыми объемных деформаций (рис. 2б), связан с доуплотнением каменной соли под действием <71-При этом происходит как залечивание всевозмож-

Т, час

Рис. 2. Изменение объемных деформаций во времени: а) - Тула, б) - Оренбург

5- Л/

ных дефектов, так и перестройка структуры каменной соли.

Процесс установившегося течения наиболее четко наблюдается для Оренбургской каменной соли (рис. 1б) при напряжениях 0,47с-0,77а при напряжениях 0,47с - 0,57с характеризуется уплотнением в начальные периоды времени, а затем разрыхлением, развивающимся примерно с постоянной скоростью.

При высоких уровнях напряжений развитие объемных деформаций приводит к разрыхлению, развивающемуся последовательно с уменьшающейся, постоянной и возрастающей скоростями (рис. 2б).

Процесс ползучести Тульской каменной соли носит более сложный характер. При напряжениях, составляющих 0,4-0,5 7с, последующее разрыхле-

ние не превышает по величине начального уплот-

нения, а при напряжении 0,67с происходит уменьшение начальной плотности каменной соли.

Рис. 3. Изменение скорости деформирования во времени на уровне предела длительной прочности (Тула)

Рис. 4. Зависимость объемных деформаций от скорости деформирования на уровне предела длительной прочности (Тула)

Таким образом допустимое разрыхление ной соли следует определять в процессе ее сти при уровне напряжений, соответствующих делу длительной прочности, то есть когда наблюдаются или все три стадии ползучести, или стадии неустановившегося и установившегося течения.

реход от стадии установившейся зучести к стадии прогрессирующего течения и будет соответствовать тическим значениям объемных

формаций разрыхления £^т.

Долговременные исследования ползучести каменной соли Тульской площади показали, что на стадии тановившейся ползучести скорость деформирования £, практически

стоянна (0,00009-0,00014 1/сут.), а на стадии прогрессирующего течения увеличивается более чем в два раза и составляет 0,00025 (рис. 3). При этом критическое значение объемной

деформации составило £^т= -0,0034 (рис. 4).

Аналогичными исследованиями более пластичной Оренбургской каменной соли было установлено, что скорость установившейся ползучести при напряжении, соответствующем пределу длительной прочности, была стоянной в течение всего испытания - 0,0001 1/сут (рис. 5). Значение объемной деформации разрыхления на момент окончания

опыта составило £^т= =-0,0146 (рис. 6).

о

сЗ

М

Л

О

-е

о

.л

Н

О

о

Л

о

и

500 1500 2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500

Т, час

Скорость деформирования, 1/сут

Сравнительный анализ кривых ползучести, полученных при напряжениях, соответствующих пределам длительной прочности: 0,67С (Тула) и 0,5 7С (Оренбург), показал, что на стадии установившейся ползучести наблюдается постоянная скорость деформирования (0,00009-0,0001 1/сут.) как при испытаниях на образцах хрупкой каменной соли (Тула), так и при испытаниях на образцах пластичной каменной соли (Оренбург). Однако скорость деформирования образцов пластичной каменной соли сохраняется постоянной в течение всего опыта (9000 ч), а у образцов хрупкой каменной соли - только в течение 2700 часов. Скорость деформирования хрупкой каменной соли в процессе деформирования продолжает возрастать, что свидетельствует о переходе кривой ползучести из стадии установившейся ползучести в стадию прогрессирующего течения. Это обстоятельство является отличительной чертой характера поведения деформационных кривых, соответствующих пределам длительных прочностей: 0,6 7С (Тула) и 0,5 7С (Оренбург).

Рис. 5. Изменение скорости деформирования во времени на уровне предела длительной прочности (Оренбург)

Рис. 6. Зависимость объемных деформаций от скорости деформирования на уровне предела длительной прочности (Оренбург)

Таким образом, при расчете устойчивости подземной выработки, сооружаемой в хрупкой каменной соли (литологическая разновидность VIII), может быть принят дополнительный критерий устойчивости < -0,0034, т.е. допускается разрыхление каменной соли до 0,34 %, а для выработок, расположенных в пластичной каменной соли (литологическая разновидность III) допустимое разрыхление составляет около 1,5 %.

Оценка устойчивости подземной выра-ботки с учетом разрыхления каменной соли в прикон-турной зоне

Как было показано выше, ранее при оценке устойчивости подземных хранилищ в каменной соли, не учитывался второй член правой части уравнения (1), отвечающий за разрыхление приконтурной зоны. Нами была предпринята попытка учета разрыхления каменной соли. Для этого с помощью уравнения (1), используя программу Statistica, была проведена обработка опытов на ползучесть каменной соли Калининградской площади, на которой планируется строительство подземного хранилища газа (рис. 7, 8). В результате были определены значения параметров п и т: 3,29 и 25,17 соответственно.

При расчете устойчивости за основу принималась созданная нами ранее инженерногеологическая модель соляного массива Калининградской площади, основными элементами которой являются: однородная каменная соль соляного массива, два пласта надсолевых и три пласта под-солевых горных пород.

Таблица

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СОЛЯНОГО РАЗРЕЗА КАЛИНИНГРАДСКОЙ ПЛОЩАДИ

Рис. 7. Изменение интенсивности деформаций сдвига во времени

Интервал, м Название горной породы Р г/см3 ^оРие і , маї МПа 8. ^Измеї ии вО вре [ениеG,объем менМПа ной щефо] МПа

818.0-846.7 доломит 2.15 - = 14000 94000

846.7-863.0 ангидрит, доломит 2.88 - - 14000 94000

863.0-1033.0 каменная соль 2.20 7.2 0.085 1506 50400

1033.0-1040.0 ангидрит 2.93 - - 14000 94000

1040.0-1080.0 известняк, доломит 2.15 - - 14000 94000

1080.0-1255.0 глина, мергель, доломит, песчаник 2.40 - - 14000 94000

Надсолевые горные породы представлены переслаивающимися ангидритами от практически тых до загипсованных и доломитами, часто с

нечно большом значении времени £■ .

дуль сдвига G и модуль объемного сжатия К определялись как для горных пород, слагающих надсолевую и

вую толщу, рассматриваемую как линейно-деформи-рованную среду, так и для каменной соли. Физико-механические характеристики основных элементов инженерно-геологической модели представлены в табл.

Соляная толща представлена несколькими лито-лого-генети-ческими разновидностями каменной соли, но для расчета устойчивости схематизировалась как однородная, состоящая из наиболее слабой разновидности - равномернозернистой крупнозернистой с

ослйрИБнныоотроявими. модели определялись ность р и реологические характеристики каменной соли данной разновидности: мгновенная прочность Фс, интенсивность касательных напряжений, соответствующая пределу тельной прочности при заданной сумме глав-

главных напряжений Х;ж, интенсивность

деформации сдвига при Х;- = ХЖ и

Рассматривался породный массив, в котором имеются выработки, расположенные на большом расстоянии от поверхности земли. Породный массив представляется слоистым с горизонтально расположенными слоями, имеющими постоянные для каждого слоя характеристики. Подземная выработка принимается осесимметричной. Поверхность выработки образуется вращением некоторой образующей вокруг вертикальной оси 02.

Решалась пространственная задача о деформировании весомой полубесконечной среды с по-

лостью с учетом осевой симметрии. При численном решении задачи в окрестности полости выделялась весомая область D, на границах которой задавались граничные условия. На верхней горизонтальной границе выделенной области задавались вертикальные нормальные напряжения, равные весу вышележащих пород, а на остальных границах - отсутствие вертикальных или горизонтальных перемещений.

Предполагалось, что тектоническое поле напряжений отсутствует.

Задача решалась методом конечных элементов (МКЭ) с помощью вычислительной программы «Оценка устойчивости подземных хранилищ», версия 1,0, созданной в ООО «Подзем-газпром».

В результате расчетов определялись все компоненты тензоров напряжений и деформаций в центрах всех конечных элементов. На основании этих данных в окрестности контура выделялась некоторая область, где £у > 0,

т.е. где существует разрыхление приконтурной зоны. Полученные объемные деформации разрыхления не превышают предельно

допустимые значения 6^*т= 1,5 %, установленные в результате долговременных испытаний каменной соли на ползучесть (рис. 9). Таким образом величина

6^т может служить критерием устойчивости подземных выработок, создаваемых в каменной соли, с учетом разрыхления при-контурной зоны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 34-02-99. Подземные хранилища нефти, нефтепродук-

Рис. 9. Объемные деформации разрыхления в окрестности подземной выработки

тов и сжиженных газов/Госстрой России. - М. ! ИРЦ «Газпром» 1999. - 17с.

2. Журавлева Т.Ю. Использование геомеханической модели соляного массива для прогноза ус-

тойчивости ПХГ. "Газовая промышленность", № 10, 1997.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Журавлева Т.Ю., Оксенкруг Е.С., Кислер Л.Н. - ООО «Подземгазпром», Москва.