CC BY
38
УДК 622.755
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ВЫРАБОТОК-ЕМКОСТЕЙ В КАМЕННОЙ СОЛИ
В.П. Милюков
Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, д.З, 117419, Москва, Россия
В.А. Казарян, А.Г. Поздняков
ООО «Подземгазпром»
Курчатовская площадь, д. 1, 123182, г. Москва, Россия
В работе впервые исследованы: влияние на нерастворитель газа, выделяющегося из соли при подземном растворении; механизм разрушения кристалла соли, содержащей газ, при воздействии растворителя; влияние различных механизмов газопроявлений на величину коэффициента массоотдачи при растворении каменной соли.
Влияние газа, выделяющегося из соли при растворении, па нерастворитель. При создании выработки-емкости в каменной соли с газовыделением при растворении отмечается изменение свойств нерастворителя. Нерастворитель более легкий, чем раствор №С1, и находится в верхней части выработки (у кровли), ограничивая развитие выработки в вертикальном направлении. Нерастворитель рассматривается как элемент технологии, используемой для управления процессом создания подземной выработки-емкости в каменной соли.
При определении коэффициента массоотдачи на образцах керна каменной
соли из интервала заложения выработок-емкостей обнаружено содержание газа
в породе на Лейковском штоке (Украина) и месторождении Тюз-Гелю (Турция). В процессе растворения каменной соли выделяется газ и частички нерастворимых включений. В зависимости от стратификации раствора тяжелые частицы нерастворимых включений опускаются на дно выработки, а легкие частицы вместе с микропузырьками газа поднимаются вверх, и значительное количество частиц попадает в нерастворитель.
Микропузырьки газа поднимаются вверх с разными скоростями в зависимости от их размера и стратификации раствора. Эту скорость можно оценить по закону Стокса. Также возможна оценка массы пузырька, его кинетической энергии и энергии, выделяемой при разрушении микропузырька:
У = 2gr2 (р,-р2)/9)11, (1)
т = (4,3) п г3 р2, (2)
1¥к = тУ2/2, (3)
Щ, = 2к г2 (а, - а2), (4)
где: V — скорость пузырька газа; g - ускорение свободного падения; г - радиус
микропузырька; ри р2 - соответственно плотность раствора и газа; т|1 - вязкость раствора; т - масса газового пузырька; Шк - кинетическая энергия газового пузырька; 1¥р - энергия, выделяемая при разрушении микропузырька; ст/, а2 - соответственно поверхностное натяжение раствора и газа.
В процессе создания подземной выработки-емкости в каменной соли при га-зовыделении из породы газовые пузырьки устремляются вверх, к кровле выработки, где находится нерастворитель - дизельное топливо (Лейковский шток). Газовые пузырьки привносят в нерастворитель легкие частицы нерастворимых включений и рассол. Образуется суспензия, которая состоит из дизтоплива, рассола, нерастворимых частиц и газа. При отборе на поверхность она выглядит наподобие густой пористой маслянистой массы черного цвета с нерастворимыми частицами.
При рассмотрении газовыделений из каменной соли в процессе растворения следует учитывать возможные газовыделения из пропластков, прослоек и рассеянных нерастворимых включений.
При растворении каменной соли с газовыделением возможны различные варианты использования естественного газа в качестве нерастворителя с учетом параметров технологического регламента создания подземной выработки-емкости.
Механизм разрушения кристалла соли, содержащей газ, при воздействии растворителя. По характеру связи с породой газы подразделяются на свободные и связанные. Свободные газы находятся в открытых микропорах и трещинах пород под давлением, теоретически достигающим величины напряжений массива [1]. Связанные газы заключены в виде микроскопических пузырьков внутри кристаллов соляных пород (внутрикристаллические), а также находятся в сорбированном состоянии на поверхности кристаллов, пор и трещин.
Как известно, в различных соляных породах и включениях одного месторождения могут содержаться различные газы. По качественному составу свободные газы в породах, например сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения калийных солей, представляют собой азотно-метановую смесь и практически одинаковы для разных участков и шахтных полей. В составе свободных газов пород карналлитовых пластов отмечается повышенное содержание водорода [2].
В процессе генезиса часть газов отлагалась в самой соли, т.е. включалась при перекристаллизации в состав соли. Образовывались внутрикристаллические газы, заключенные во внутрикристаллических пустотах, часто имеющих кубическую или призматическую форму, диаметр самых маленьких пор составляет лишь доли микрона. При перекристаллизации солей образуются пустоты, как правило, с повышенным давлением в них газа. В процессе определения коэффициента массоотдачи вертикальной поверхности керна каменной соли в условиях естественной конвекции отмечается равномерное, практически одинаковой величины, распределение газа в кристаллах соли месторождения «Тюз-Гелю». Такое распределение газа в кристаллах соли создает локально изменяемое давление в соляной породе (повышение давления в пустотах кристаллов, заполненных газом). Процесс растворения каменной соли характеризуется отскакиванием пластинок каменной соли. При этом может происходить их выпадение на дно подземной выработки. Такой процесс массоотдачи можно рассматривать как комбинированное газодинамическое явление - газовыделение с отскакиванием
пластинок соли (газовыделение с разрушением кристаллов соли).
Процесс микровыброса газа, заключенного в соляной породе под давлением (при кратковременном протекании микровыброса), аналогичен адиабатическому изменению состояния газа. Газ охлаждается, что приводит к некоторому изменению температуры. Для адиабатического процесса расширения газа энергия
свободного газа может быть определена выражением
Э =
PrV
Г'-1
1 -
Рт)
ґ-1
У
5]:
(5)
где: Рг - давление газа на момент отстрела пластинки соли; Рп - величина про-
тиводавления в процессе растворения; у' - показатель адиабаты (например, для азота у' = 1,4).
В каменной соли Лейковского месторождения микровключенные газы встречаются в кристаллах соли, а основная масса газа находится в газовых макровключениях в межкристаллическом пространстве и среди породных включений в каменной соли. Процесс массоотдачи при растворении каменной соли Лейковского месторождения характеризуется дополнительно массоотдачей при выделении газа из межкристаллического пространства, а также разрушением породных включений с выделением газа. По интенсивности газовыделений при растворении соли Лейковского месторождения процесс массоотдачи характеризуется газовыделением из породных включений, газовыделением из межкристаллического пространства и газовыделением из в нутр и к р и стал л и ч е с к и х пустот. Методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины на Лейковском месторождении каменной соли со значительным содержанием газа созданы 10 выработок-емкостей.
Стреляние (стреляние горной породы - rock bump, rock burst scaling) - разрушение поверхностного слоя каменной соли при отскакивании пластинок породы с поверхности в результате изменения напряженного состояния породы при воздействии растворителя. Отделившиеся частицы имеют плоскую эллипсообразную форму. В процессе растворения каменной соли с месторождения Тюз-Гелю при утончении породной перегородки в кристалле соли, в котором под давлением находится газ, происходит отстрел (отскакивание) пластинок каменной соли и высвобождение газа.
Процесс массоотдачи при растворении каменной соли с отскакиванием пластинок характеризуется массой каменной соли, переходящей в раствор, массой каменной соли, отскакивающей в виде пластинок, и выделяемым газом. Этот процесс характеризуется чередованием отскакивания пластинок с гидродинамическим воздействием вихревого пограничного слоя и газовыделением.
Впервые отмечено явление разрушения соляной породы не как растрескивание, а как отскакивание (микровыброс) пластинок соли в процессе растворения каменной соли с внутрикристаллическим содержанием газа (месторождение Тюз-Гелю), в отличие от Лейковского месторождения, где отскакивание пластинок соли не наблюдалось.
Процесс разрушения соляной породы при растворении с отскакиванием пластинок соли напоминает процесс разрушения призматических образцов при ис-
пытаниях на длительную прочность. При нагрузках, составляющих 90% разрушающей, во время испытаний отмечалось быстрое нарастание деформаций и через 5-30 час. происходило хрупкое, взрывоподобное разрушение образцов с отбросом разрушенных до мелких фракций соляных пород на определенное расстояние [1].
Как отмечал Ф.Ф. Пермяков, стенки полостей выбросов, происходящих в соляных породах при взрывных работах или механическом воздействии, имеют всегда одинаковое строение. Происходит расслоение породы на отдельные мелкие слои, отделенные друг от друга трещинами. Взятый со стенок полости обрушения кусок соляной породы можно разделить на несколько более тонких пластинок толщиной 1—3 мм. Образование тонких пластинок примерно одинакового размера характерно для различных видов разрушения соляных пород, в том числе при отскакивании пластинок соли (чешуек) при выделении газа из кристалла каменной соли в процессе растворения. Это совпадает с теоретическими положениями академика С.А. Христиановича о послойном отрыве выбросоопасных пород.
Возможно, что микровыброс - отскакивание пластинок соли при газовыделе-нии из кристаллов соли в процессе растворения - сопровождается выделением пыли, которая растворяется в растворителе.
Разрушение стенок кристалла соли при выделении газа из кристалла в процессе растворения происходит, если давление газа превышает силы сопротивления породы разрушению. При этом в каменной соли вблизи контактной поверхности порода-растворитель образуются трещины приближенно ориентированные параллельно поверхности контакта. Микровыброс газа из кристалла соли с отскакиванием пластинок соли в процессе растворения представляет собой непрерывный процесс отрыва частиц соли (разрушения приконтактной зоны породы).
Влияние газопроявлений на величину коэффш/иента массоотдачи при растворении каменной соли. Полученные экспериментальные данные по изменению коэффициента скорости растворения каменной соли для различных морфологических типов [3] соляных месторождений (всего 196 образцов керна из интервалов размещения подземных выработок-емкостей), показали, что средняя величина коэффициента скорости растворения каменной соли составила: для двух месторождений пластового типа Ki = 0,048 м/ч; К2 = 0,0505 м/ч (исследовано 112 образцов); для месторождений купольного типа - К = 0,0595 м/ч (исследовано 26 образцов): для месторождений штокового типа - К = 0,058 м/ч (исследовано 58 образцов).
Средние значения коэффициента скорости растворения вертикальной поверхности керна каменной соли в условиях естественной конвекции при температуре 20°С для скважин Лейковского штокового месторождения следующее: скважина ЗТ — 0,0575 м/ч; 4Т - 0,0567 м/ч; 5Т - 0,06 м/ч; 6Т - 0,0585 м/ч; 7Т —
0,0598 м/ч; 8Т - 0,0579 м/ч; 9Т - 0,0581 м/ч [4]. На Лейковском месторождении каменной соли с газпроявлениями выявлен фактор более быстрого создания подземных выработок-емкостей по сравнению с традиционными расчетными параметрами, в которых не учитывались газопроявления.
Средние значения коэффициента скорости растворения вертикальной поверхности керна каменной соли в условиях естественной конвекции при температуре 20 °С для скважин месторождения Тюз-Гелю: скв.1 - К| - 0,063 м/ч; скв. 2 - К2 = 0,0552 м/ч (табл. 1 и табл. 2).
Таблица 1
Коэффициент скорости растворения вертикальной поверхности каменной соли в воде в условиях естественной конвекции при температуре 20 °С, определенных на образцах керна скв. 1 Тиг Са1и
Номер образца Глубина отбора, м d, см А. см Р* г/см3 г g2, г к, м/ч
ЮР 1048,0-1048,2 9,44 10,01 2,20 1541,40 1273,54 0,0596
15Р 1077,0-1077,3 9,40 10,01 2,17 1510,0 1223,36 0,0643
25Р 1083,6-1084,0 9,45 9,95 2,23 1558,6 1290,31 0,0598
36Р 1105,4-1105,6 9,41 9,96 2,126 1472,8 1297,79 0,0387
42Р 1108,0-1109,0 9,38 10,08 2,19 1524,7 1262,70 0,0583
45Р 1151,0-1151,35 9,41 10,0 2,12 1471,15 1167.69 0,0685
52Р 1154,2-1155,0 9,44 9,87 2,11 1458,7 1126,41 0,0761
64Р 1203,0-1204,0 9,47 9,91 2,18 1520,6 1234,51 0,0644
74Р 1250,0-1251,0 9,44 9,96 2,24 1559,35 1298,09 0,0584
82Р 1275,5-1275,8 9,51 9.96 2,15 1524,45 1186,93 0,0759
86Р 1301,0-1302,0 9,47 9,97 2,20 1524,90 1223,35 0,0682
93Р 1308.0-1309,0 9,50 9,90 2.18 1533.2 1247,39 0.0640
Таблица 2
Коэффициент скорости растворения вертикальной поверхности каменной соли в воде в условиях естественной конвекции при температуре 20°С, определенных на образцах керна скв. I 2 Тиг Са1и
Номер образца Глубина отбора, м (І, см її, см Р- г/см3 г с* г К, м/ч
27Р 962,6-963,0 9.46 9,99 2.17 1523,45 1249,60 0,0610
ЗЗР 956,6-966,0 9.50 9,97 2.10 1486,72 1206,60 0,0624
44Р 972,0-972,7 9,52 9.98 2.24 1590,15 1362,98 0.0499
52Р 978,0-929,0 10,16 10.29 2.22 1854.2 1568.78 0,0489
55Р 1033,0-1034,0 9.52 9,92 2,18 1540,9 1262,71 0,0620
68Р 1044.0-1045.0 10.15 9.92 2,24 1800,7 1538,84 0,0540
68рду°ль 1044.8-1045,0 10.16 10.05 2.25 1828.75 1568,7 0.0532
74Р 1049,8-1050.0 10,17 . 9.92 2.2 і 1783.3 1512.98 0,0553
80Р 1105,0-1105,5 10.08 11.1 2,25 1990,21 1707,2 0,528
84Р 1107,4-1108,0 10,16 10,05 2.23 1816,9 1544.2 0,0558
90Р 1112,0-1112,5 10.15 9.90 2.23 1782,36 1508.0 0.0572
96Р 1116.0-1117.0 10,16 10,05 2.25 1837.87 1590.2 0,0502
98Р 1118,0-1118.4 10.15 10,05 2,26 1838.5 1574.59 0.0537
99Р 1118,4-1119.0 10.17 10,02 2.25 1831.9 1561.0 0,0551
101Р 1181.0-1181,5 10.14 9.74 2,20 1731.7 1474.4 0.0533
107Р 1185.5-1186.0 9.46 9.93 2.18 1519,85 1263.44 0.0574
ПОР 1188,0-1189.0 9,46 9.99 2.10 1530.17 1261.82 0,0586
112Р 1251,0-1251,25 9.53 9,98 2.21 1573.71 1318.17 0,0563
120Р 1255.0-1256.0 9.49 9.98 2.21 1564.9 1315,85 0.0550
127Р 1259,0-1260,0 9.48 9.83 2.22 1539.3 1284.74 0,0573
131Р 1323.0-1323,4 9.52 10,02 2.25 1607.75 1417.28 0,0413
139Р 1327,0-1327.4 10.02 8,65 2.11 1436,19 1180,07 0.0612
Значение коэффициента массоотдачи при растворении каменной соли с газопроявлениями увеличивается. Несмотря на различные механизмы газопроявлений при растворении каменной соли Лейковского штока (Украина) и месторождения Тюз-Гелю (Турция), значения коэффициентов массоотдачи достаточно близки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пермяков Р.С., Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы соли и газа. JI. 1972.
2. Иванов О.В. Оценка газоносности пород сильвинитовых и карналлитов пластов Верхнекамского месторождения калийных солей. Стратегия и процессы освоения георесурсов // Материалы ежегодной науч. сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2005. Пермь. 2006.
3. Smirnov V.I., Kazaryan V.A., Pozdnyakov A.G., Igoshin A.I., Maljukov V.P. Method for experimental determination of rock salt dissolution rate coefficient used in Podzemgasprom, Ltd. SMR1, Fall Mitting 2002. Bad Ischi, Austria. - PP. 287-298.
4. Малюков В.П. Газопроявления при строительстве подземных резервуаров в каменной соли. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 9. - С. 163-169.
RESEARCH OF GASSING AT CREATION OF DEVELOPMENTS-CAPACITIES IN STONE SALT
V.P. Malukov
The department of Mining and oil business People’s Friendship University of Russia Ordzhonikidze sir.. 3. 117419. Moscow. Russia
V.A. Kazaryan, A.G. Pozdnyakov
LC «Podzemgazprom»
Kurchaiovskaya sqr., I, 123182, Moscow. Russia
In work for the first time is investigated: influence of the gas on the nonsolvent allocated from salt at underground dissolution; the mechanism of destruction of a crystal of the salt containing gas under influence of solvent; influence of various mechanisms gassings to the quantity of loss of mass factor under the dissolution of stone salt.
Малюков Валерий Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры Нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела, автор 90 работ в области создания подземных хранилищ газонефте-продуктов в горных породах.
Казарян Вараздад Амаякович, доктор технических наук, профессор, 1-й заместитель директора ООО «Подземгаз-пром», ведущий специалист в области строительства подземных хранилищ, автор более 200 научных трудов.
Поздняков Анатолий Григорьевич - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ООО «Подземгазпром», один из главных специалистов в области строительства подземных хранилищ каменной соли, автор 30 научных трудов.
