CC BY
14
УДК 622.03
О.С. Кравченко, Ю.Л. Филимонов
ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КАМЕННОЙ СОЛИ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Аннотация. При строительстве и эксплуатации подземного хранилища газа в каменной соли необходимо учитывать воздействия температуры на каменную соль. При геотермическом градиенте, равном 3 °С на 100 м по вертикали, температура на глубине 1500 м достигает примерно 45 °С. Проведен анализ проблемы влияния температуры на механические свойства каменной соли. Выявлено, что на данный момент практически отсутствуют сведения о поведении каменной соли при повышенных температурах. Обоснована необходимость изучений влияния температуры на механические свойства каменной соли при строительстве подземных газовых хранилищ. Представлено оборудование, на котором были проведены испытания каменной соли в условиях повышенных температур. Все эксперименты проводились на специализированном оборудовании УДС 65/80, которое позволяет проводить эксперименты по изучению механических свойств каменной соли при различных повышенных температурах. Получены и проанализированы результаты влияния температуры на скорость деформирования каменной соли при повышенных температурах. По результатам испытаний получено, что при увеличении температуры с 20 до 70 °С скорость деформирования каменной соли возрастает в 3—5 раз.
Ключевые слова: каменная соль, подземные хранилища газа, скорость деформирования, повышенные температуры.
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-69-76
Введение
Бесшахтные подземные хранилища углеводородов, сооружаемые в массивах каменной соли находятся на глубинах от 300 м до 1500 м. Температура в указанном интервале глубин значительно отличается от температуры на поверхности земли. При геотермическом градиенте, равном 3 °С на 100 м по вертикали, температура на глубине 1500 м достигает примерно 45 °С [1]. При строительстве подземных хранилищ (ПХГ) газа в каменной соли необходимо изучать влияние температуры на механические свойства горной породы.
Подземные емкости в каменной соли эксплуатируются только при условии их герметичности. Поэтому перед пуском
в эксплуатацию их испытывают на герметичность и определяют геометрический объем. Испытание производится при максимальном рабочем давлении, и температура газа может достигать 50— 60 °С [2].
В процессе эксплуатации подземного хранилища температура газа значительно изменяется, так при закачке газа она может достигать значений 40—50 °С, а при откачки может снижаться до значений -5 °С. Так на пиковых ПХГ процесс откачки и закачки может занимать непродолжительный срок. Сведений о влиянии температуры газа на окружающий массив нет.
Практически отсутствуют сведения о влиянии на механические свойства со-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 1. С. 69-76. © О.С. Кравченко, Ю.Л. Филимонов. 2019.
ляных пород температуры, учет которой в ряде случаев просто обязателен.
На практике, в зависимости от способа сооружения, назначения, режима эксплуатации подземного хранилища, вида хранимого в нем продукта, она может существенно отличаться от комнатной, имеющейся, как правило, при проведении лабораторных экспериментов. В частности, соляные массивы, вмещающие бесшахтные подземные хранилища на глубинах 500 м и ниже имеют температуру существенно выше 20—30 °С. Например, соляные отложения, предназначенные для размещения подземных емкостей Волгоградского ПХГ имеют температуру 40 °С, а температура каменной соли Астраханское ГКМ достигает 55—60 °С и выше. В резервуарах для хранения сжиженного природного газа, а также при промысловой отработке газа способом низкотемпературной сепарации температура может снижаться до величин -164—(-163) °С.
Детальных экспериментальных работ по исследованию влияния температуры на деформационные характеристики каменной соли недостаточно [3, 4] а их результаты, как правило, предназначены для конкретных расчетных схем, что затрудняет их широкое использование. Кроме этого, в них отсутствуют пригодные для широкого использования зависимости прочностных и деформационных характеристик каменной соли от температуры.
Наиболее значимые результаты по экспериментальному изучению влияния температур в диапазоне от -130 до +20 °С приведены в работе А.В. Черноивана [4].
Специфика процессов, происходящих в окрестности подземных емкостей, созданных в отложениях каменной соли и имеющих, прежде всего, большую длительность, требует знания поведения каменной соли в массиве или в образце под длительной нагрузкой, которое определяется в первую очередь ползучестью.
Температурные зависимости ползучести каменной соли отражены в основном в американских исследованиях [5, 6, 15, 17]. Также очень интересные исследования ползучести при высоких температурах и микромеханизмах ползучести были проведены немецкими учеными U. Hunsche, A. Hampel [7, 8].
Некоторые вопросы влияния температурного поля на ползучесть каменной соли рассматривались на осенней сессии Solutionmining research institute (SMRI) в 1998 году в связи с вопросами безопасности подземных хранилищ [8].
Изучению механизмов ползучести посвящены также и работы других авторов [10, 13, 14].
О тесной взаимосвязи скоростей ползучести с температурой свидетельствуют и результаты исследований, приведенные в работе [11, 16, 18].
Существуют несколько работ, в которых описывается влияние температуры на скорость деформирования каменной соли [12].
Все выше перечисленные работы показывают значительное увеличение скорости деформирования каменной соли при повышенных температурах.
В настоящей работе рассматривается влияние температуры на механические свойства каменной соли.
Методика испытания
Для проведения исследований по экспериментальному изучению влияния температуры на механические свойства каменной соли была выбрана установка длительного сжатия УДС 65/80 (конструкции ВНИМИ) и применена специальная методика проведения экспериментов и обработки их результатов.
УДС 65/80 (установка длительного сжатия, рис. 1) предназначена для проведения на образцах цилиндрической формы (диаметр 65 мм, высота 130 мм) длительных (до 2000 и более часов) испы-
таний при заданных осевых (до 100 МПа) и боковых (до 60 МПа) напряжениях при нормальных и высоких (до 80 °С) температурах.
Эта установка состоит из четырех основных блоков: испытательной камеры, пульта управления, блока автоматики и блока измерительной аппаратуры. Испытательная камера состоит из корпуса, крышки и ступенчатого поршня. Канал соединяет рабочую полость А камеры с компенсационной полостью Б. Такое конструктивное решение позволяет исключить повышение бокового давления на образец при выдвижении поршня в полость рабочей камеры. В крышке камеры размещены электроводы и устройство для подъема и поворота крышки. В рабочей полости А размещены: образец с измерителем поперечных дефор -маций, температурный датчик, нагревательные элементы, датчики акустической эмиссии и ультразвуковые датчики.
Для визуального отсчета осевых деформаций образца и контроля положения поршня перед испытанием используется измеритель осевых деформаций (индикатор часового типа). Термоизоляция обеспечивает надежную работу нагревательной системы установки.
Пульт управления включает в себя гидравлические элементы установки: насосную станцию, ресиверы, манометры, вентили, предохранительные клапаны, фильтры, сигнальные лампочки. Предохранительные клапаны рассчитаны на давление 50—60 МПа и предназначены для защиты установки от незапланированных возможных повышений (при неисправности стабилизаторов) осевого и бокового давлений.
Блок автоматики состоит из температурного автоматического узла, обеспечивающего определенный температур -ный режим в рабочей полости А, стабилизаторов осевого и бокового давлений, электродвигателей, источников питания
Рис. 1. Внешний вид установки УДС 65/80 Fig. 1. Physical configuration of the testing machine UDS 65/80
электродвигателей и нагревательной системы, узла электрозащиты.
Блок измерительной аппаратуры может включать в себя компьютер, тензо-метрическую станцию, ультразвуковую, акустико-эмиссионную и другую необходимую приемную аппаратуру, позволяющих вести автоматическую регистрацию и запись действующих напряжений, температуры и имеющихся деформаций испытуемых образцов во время деформирования, проявлений акустической эмиссии, скоростей продольных волн.
Испытательная камера соединена с пультом управления и блоком автоматики трубопроводами.
Важной частью установки являются стабилизаторы бокового и осевого давления. Осевое и боковое давление на образец породы регистрируются по показаниям электроконтактных манометров. При уменьшении или увеличении расчетного давления замыкаются контакты электроконтактного манометра, и включается электродвигатель стабилизатора. Стабилизатор повышает (понижает) давление в системе, доводя его до расчетной вели-
1. корпус испытательной камеры
2. термоизоляция
3. насосная станция
4. ресивер
5. стабилизатор осевого давления
6. стабилизатор бокового давления
7. нагревательные элементы
8. температурный датчик
9. измеритель осевых деформаций
10. измеритель поперечных деформаций
11. образец
12. датчики акустических сигналов
13. ультразвуковые датчики
14. тензометрическая станция
15. электроакустическая приемная аппаратура
16. ультразвуковая приемная аппаратура
17. узел электрозащиты
Рис. 2. Схема установки УДС 65/80
Fig. 2. Layout of the testing machine UDS 65/80
чины, после чего электродвигатель выключается.
Стабилизатор бокового давления поддерживает постоянное давление в испытательной камере и позволяет определять изменение объема образца породы при длительных испытаниях.
Учитывая, что эксперименты на ползучесть, как правило, очень длительные (до 700 ч) и проведение серий экспери-
18. электроконтактные манометры
19. электродвигатели
20. трубопроводы
21. вентили
22. манометры
23. электровводы
24. фильтры
25. предохранительные клапаны
26. устройство для подъема крышки
27. пульт управления
28. источник питания электродвигателей и нагревательной системы
29. крышка
30. ступенчатый поршень
31. температурный автоматический узел
32. канал
А. рабочая полость камеры Б. компенсационная полость камеры
ментов по такому деформированию каменной соли при различных напряжениях и температурах требует очень много времени, а способная обеспечить требуемые режимы установка только одна, влияние температуры изучалось, главным образом, только на реологические свойства соли в условиях одноосного сжатия по специальной методике. Основной ее задачей было определение
критических температур и скоростей деформирования, приводящих к разрушению образцов, находящихся в условиях различных постоянно действующих напряжений. Суть данной методики заключалась в следующем.
В экспериментах использовались цилиндрические образцы диаметром 65 мм и высотой 130 мм.
В процессе проведения экспериментов на каждом конкретном образце в установке УДС 65/80 в условиях одноосного сжатия задавалось постоянно действующее осевое напряжение о1 (при а3 = 0) и ступенчато по 10 °С повышалась температура. На различных образцах задавались различные значения постоянного осевого напряжения и изменялась только ступенчато их температура, что позволило получить значительное количество различных состояний каменной соли, характеризующихся определенным напряжением и температурой. Длительность ступени во времени была достаточна для того, чтобы установилась определенная постоянная скорость ползучести, и составляла 24 ч.
Во время эксперимента постоянно в файлы данных велась запись имеющихся значений температуры, осевого напряжения, продольной и поперечной деформаций, по которым рассчитывались значения объемной деформации ву, интенсивности деформации сдвига г, и интенсивность касательных напряжений.
Во время эксперимента и по его окончании рассчитывались установившиеся скорости деформирования на каждой ступени. Как правило, это были скорости деформирования образцов в течение 12-ти последних часов ступени. По измеренным в ходе экспериментов параметрам (температура, напряжение, деформации) для анализа полученных результатов строились графики зависимостей рассчитанных скоростей деформирования от действующих напряжений
и температуры, и делался вывод о степени ее влияния на процессы деформирования и разрушения каменной соли.
Постановка лабораторных экспериментов и обсуждение их результатов
Объектом исследований являются образцы каменной соли, отобранные из Тульской площади. Для проведения эксперимента были подобранные близкие образцы по структуре (рис. 3).
Полученные в ходе их обработки параметры в виде графиков зависимостей скоростей интенсивностей деформаций сдвига от температуры показаны на рис. 4.
На графике видно, что даже незначительное изменение температуры (на 20— 30 °С) при неизменном напряжении существенно (в 10—15 раз) увеличивает скорость деформирования каменной соли и может приводить к ее разрушению.
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что переход каменной соли при одном и том же напряжении в прогрессирующую ползучесть и разрушение при повышенной температуре начинается значительно раньше, чем при
25 см
Рис. 3. Внешний вид каменной соли Тульской площади
Fig. 3. Tula area rock salt
з-m
s
о.
о
■а
ш
0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000
1 / о / □
Ж 21MPa 2 Ж 18MPa 3 ^ 20 M Pa 4 Ж 19MPa з/
/у \
/ / V7
/О /
Д д
< > 1,— □ -- □ 3
10
20
60
70
30 40 50
Температура, град. С
Рис. 4. График зависимости скорости интенсивности деформации сдвига от температуры Fig. 4. Shear deformation rate versus temperature
80
обычных действующей в лабораторных условиях.
Выводы
Полученные в данной работе экспериментальные данные свидетельствуют о существенном влиянии температуры на механические свойства каменной соли. Это делает обязательным учет тем-
пературы при получении характеристик соляного массива, используемых в математических расчетах для оценки его напряженно-деформированного состояния и при разработке организационно-технических мероприятий по безопасному осуществлению мониторинга подземных сооружений в отложениях каменной соли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Смирнов В. И. Строительство подземных газонефтехранилищ: учебное пособие для вузов. — М.: Газоил пресс, 2000. — 250 с.
2. Гаев А.Я., Щугорев В.Д., Бутолин А.П. Подземные резервуары. — Ленинград: Недра, 1986. — 221 с.
3. ЕржановЖ. С., Сагинов А. С., Гуменюк Г. Н., Векслер Ю. А., Нестеров Г. А. Ползучесть осадочных горных пород. Теория и эксперимент. — Алма-Ата: Наука, 1970. — 208 с.
4. Черноиван А. В. Прогнозирование устойчивости соляного массива, вмещающего подземную емкость для низкотемпературного хранения газа. Дис. ... канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 1982. — 159 с.
5. КартерН., Хансен Ф. Ползучесть каменной соли. Перевод. — 1983.
6. Придж Дж. Общее поведение соляного купола с размещенным в нем могильником / Материалы советско-бельгийско-нидерландского семинара. — М., 1985.
7. HunscheU., HampelA. Rock sait — the mechanical properties of the host rock material for a radioactive waste repository // Engineering geology, 1999, no 52, pp. 271—291.
8. Hampel A., Hunsche U. Extrapolation of creep of rock salt with the composite model / Basic and Applied Salt Mechanics / Proc. of the Fifth Conf. on the Mech. Bechavior of Salt (MECA-SALT V), Bucharest 1999. Editors: N.D. Cristescu, H.R. Hardy, Jr., R.O.Simionescu; 2001, Balke-ma, Lisse, pp. 193-207.
9. Solution mining research institute (SMRI), Fall meeting 1998, Technical class. Guidelines for safety assessment of salt caverns.
10. Darrel E. Munson. Transient Analysis for the Multimechanism-Deformation Parameters of Several Domal Salts // Solution Mining research institute meeting paper, fall 1999.
11. Скворцова З. Н. Закономерности и механизмы влияния жидкостей на прочность и пластичность ионных кристаллов. Автореф. дис. ... докт. хим. наук. — М.: МГУ, 2005. — 44 с.
12. Барбашова О. С. О влиянии температуры на скорость деформирования каменной соли // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2010. — № 7. — С. 107—109.
13. Arzua J., Alejano L. R., Walton G. Strength and dilation of jointed granite specimens in servo-controlled triaxial tests // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, no 69, pр. 93-104.
14. Haeri H., Shahriar K., Fatehimarji M., Moarefvand P. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks1C // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, no 67, pp. 20—28.
15. Hampel A., Hunsche U. Extrapolation of creep of rock salt with the composite model. In: Basic and Applied Salt Mechanics / Proc. Of the Fifth Conf. on the Mech. Behavior of Salt (MECA-SALT V), Bucharest 1999. Editors: N.D. Cristescu, H.R. Hardy, Jr., R.O. Simionescu; pp. 193—207. Balkema, Lisse.
16. Li-yun L., Zhi-qiangX., Ming-xiu L., Yi.L., Chen F., Tie-Wu T. An experimental study of I-II-III mixed mode crack fracture of rock under different temperature / 13th International Conference on Fracture June 16—21, 2013, Beijing, China.
17. Meier T., Backers T., Stephansson О. The influence of temperature on Mode II fracture toughness using the Punch-Through Shear with Confining Pressure experiment / Proceedings of the 3rd CANUS Rock Mechanics Symposium, Toronto, May 2009. pр. 1—8.
18. Tian H., Ziegler M., Kempka T. Physical and mechanical behavior of clay stone exposed to temperatures up to 1000 ° 1C // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, 70, pp. 144—153. ЕШЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Кравченко Олег Сергеевич — аспирант, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: o.kravchenko.msu@inbox.ru,
Филимонов Юрий Леонидович — кандидат технических наук, директор, Инженерно-технический центр ООО «Газпром геотехнологии».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019. No. 1, pp. 69-76. Deformation of rock salt under increased temperature
Kravcenko O.S., Graduate Student, e-mail: o.kravchenko.msu@inbox.ru,
Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,
119049, Moscow, Russia,
Filimonov Yu.L., Candidate of Technical Sciences,
LLC «Gazprom geotechnology», Moscow, Russia.
Abstract. Construction and operation of underground gas storages in rock salt should take into account temperature action. Under the geothermal gradient of 3°C per 100 m vertically, the temperature at a depth of 1500 m reaches 45 °C. The problem of temperature effect on mechanical properties of rock salt is analyzed. It is found that currently, there is almost no information on the behavior of rock salt under increased temperature. The required investigation of temperature influence on the mechanical properties of salt rock mass intended for underground gas storage is justified. The testing equipment for rock salt under increased temperature is described. All tests were carried out on the special equipment model
UDS 65/80 for the experimentation on rock salt exposed to variable increased temperatures. The test data on the temperature effect on the rate of rock salt deformation under increased temperature are analyzed. The research findings show that as the temperature is increased from 20 to 70 °C, the rate of rock salt deformation grows 3-5 times.
Key words: rock salt, underground gas storage, deformation rate, increased temperature.
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-69-76
REFERENCES
1. Smirnov V. I. Stroitel'stvo podzemnykh gazoneftekhranilishch: uchebnoe posobie dlya vuzov [Construction of underground gas and oil storages: Higher educational aid], Moscow, Gazoil press, 2000, 250 p.
2. Gaev A. Ya., Shchugorev V. D., Butolin A. P. Podzemnye rezervuary [Underground storage tanks], Leningrad, Nedra, 1986, 221 p.
3. Erzhanov Zh. S., Saginov A. S., Gumenyuk G. N., Veksler Yu. A., Nesterov G. A. Polzuchest' osadochnykh gornykh porod. Teoriya i eksperiment [Sedimentary rock creep. Theory and experiment], Alma-Ata, Nauka, 1970, 208 p.
4. Chernoivan A. V. Prognozirovanie ustoychivosti solyanogo massiva, vmeshchayushchego podzemnuyu emkost' dlya nizkotemperaturnogo khraneniya gaza [Stability prediction in salt rock mass enclosing an underground tank for low-temperature gas storage], Candidate's thesis, Moscow, MGGU, 1982, 159 p.
5. Karter N., Khansen F. Polzuchest' kamennoy soli [Rock salt creep], 1983.
6. Pridzh Dzh. Obshchee povedenie solyanogo kupola s razmeshchennym v nem mogil'nikom [General behavior of salt dome with a burial site], Materialy sovetsko-bel'giysko-niderlandskogo seminara, Moscow, 1985.
7. Hunsche U., Hampel A. Rock salt — the mechanical properties of the host rock material for a radioactive waste repository. Engineering geology, 1999, no 52, pp. 271—291.
8. Hampel A., Hunsche U. Extrapolation of creep of rock salt with the composite model / Basic and Applied Salt Mechanics. Proc. of the Fifth Conf. on the Mech. Bechavior of Salt (MECASALT V), Bucharest 1999. Editors: N.D. Cristescu, H.R. Hardy, Jr., R.O.Simionescu; 2001, Balkema, Lisse, pp. 193—207.
9. Solution mining research institute (SMRI), Fall meeting 1998, Technical class. Guidelines for safety assessment of salt caverns.
10. Darrel E. Munson. Transient Analysis for the Multimechanism-Deformation Parameters of Several Domal Salts. Solution Mining research institute meeting paper, fall 1999.
11. Skvortsova Z. N. Zakonomernosti i mekhanizmy vliyaniya zhidkostey na prochnost' i plastichnost' ionnykh kristallov [Regularities and mechanisms of fluid effect on strength and plasticity of ion crystals], Doctor's thesis, Moscow, MGU, 2005, 44 p.
12. Barbashova O. S. O vliyanii temperatury na skorost' deformirovaniya kamennoy soli [Effect of temperature on deformation rate of rock salt], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2010, no 7, pp. 107—109. [In Russ].
13. Arzua J., Alejano L. R., Walton G. Strength and dilation of jointed granite specimens in servo-controlled triaxial tests. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, no 69, pp. 93—104.
14. Haeri H., Shahriar K., Fatehimarji M., Moarefvand P. Experimental and numerical study of crack propagation and coalescence in pre-cracked rock-like disks1C. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, no 67, pp. 20—28.
15. Hampel A., Hunsche U. Extrapolation of creep of rock salt with the composite model. In: Basic and Applied Salt Mechanics. Proc. Of the Fifth Conf. on the Mech. Behavior of Salt (MECASALT V), Bucharest 1999. Editors: N.D. Cristescu, H.R. Hardy, Jr., R.O. Simionescu; pp. 193—207. Balkema, Lisse.
16. Li-yun L., Zhi-qiang X., Ming-xiu L., Yi.L., Chen F., Tie-Wu T. An experimental study of I-II-III mixed mode crack fracture of rock under different temperature. 13th International Conference on Fracture June 16-21, 2013, Beijing, China.
17. Meier T., Backers T., Stephansson 0. The influence of temperature on Mode II fracture toughness using the Punch-Through Shear with Confining Pressure experiment. Proceedings of the 3rd CANUS Rock Mechanics Symposium, Toronto, May 2009. pp. 1—8.
18. Tian H., Ziegler M., Kempka T. Physical and mechanical behavior of clay stone exposed to temperatures up to 1000 ° 1C. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2014, 70, pp. 144—153.
&_
