CC BY
64
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
Е.М. Шафаренко, Р.В. Бочкарева,
Подземгазпром
Оценка экранирующей способности каменной соли в окрестности подземного резервуара
Каменная соль в естественном залегании является природным экраном, что и обусловило возможность ее использования в качестве ограждающей конструкции подземных резервуаров для хранения жидких и газообразных углеводородов.
Подземные резервуары представляют собой незакрепленные выработки большого сечения, как правило, цилиндрической формы, которые создаются через буровые скважины путем растворения каменной соли пресной водой.
Изменение напряженно-деформированного состояния в связи с созданием резервуара может привести к образованию нарушенной (разуплотненной) зоны в окрестности резервуара, где экранирующая способность соли будет утрачена и порода перейдет в область коллекторов, что подтверждается исследованиями проницаемости массива горных пород в окрестности незакрепленных выработок.
Исторически такого рода исследования связаны с проблемами внезапных выбросов газа и дегазации угольных месторождений. В процессе этих исследований были отработаны методы исследования проницаемости горного массива по газовыделению в шпурах и скважинах, пробуренных вблизи контура подземной выработки [1 и др.].
Аналогичные исследования выполнялись для выбросоносных соленосных пород на калийных рудниках, главным образом Старобинского и Верхнекамского месторождений [2 и др.]
К настоящему времени имеется ряд натурных исследований, выполненных различными методами, которые констатируют наличие зоны разуплотненной породы вокруг выработок, пройденных в каменной соли [3, 4]. Так, двухлетние натурные исследования влажности каменной соли в окрестности околостволь-ных выработок III Березниковского калийного рудника, показали, что повышенная влажность фиксируется до 2.5-3 м вглубь массива. Вблизи контура выработки влажность породы достигает 0.7%, затем убывает по экспоненциальному закону и на глубине 2.5-3 м равна
0.2-0.25%.
Зона повышенной проницаемости или зона нарушенных пород вокруг выработки в каменной соли выявлена при проведении исследовательских работ в рамках программы правительства США по захоронению радиоактивных отходов. В юго-западной части штата Нью-Мексико на территории головного предприятия по изоляции отходов (WIPP) на глубине 660 м в каменной соли пройдена выработка, вокруг которой
126
зафиксирована зона нарушенных пород. Проницаемость каменной соли в зоне превышает ее значения в ненарушенном массиве на два порядка [5]
Таким образом, базируясь на результатах натурных исследований поведения породного массива в окрестности незакрепленных выработок, можно утверждать, что вблизи контура выработок происходят структурные изменения во вмещающих породах, приводящие к их разуплотнению, что в свою очередь вызывает ухудшение экранирующей способности. Причиной этого является возникновение необратимых деформаций пород при изменении первоначального напряженного состояния массива.
Определение размеров зоны повышенной проницаемости и изучение свойств каменной соли в ее пределах имеет большое значение для решения важных инженерных задач при проектировании, эксплуатации и ликвидации подземных резервуаров.
Актуальность решения этого вопроса вызвала активизацию исследовательских работ, связанных с изучением структурных изменений в каменной соли, контролирующих ее экранирующую способность и прогнозом развития зоны повышенной проницаемости в окрестности подземных резервуаров [5].
В первую очередь это относится к исследованию порово-трещинного пространства (общей и открытой пористости, проницаемости), поскольку деформации, возникающие в массиве каменной соли, могут привести к увеличению размеров и общего объема открытых поровых каналов, в которые будет внедряться рассол и хранимый продукт.
Повышенная влажность изменяет реологические свойства каменной соли. По напряжению, соответствующему максимальному уплотнению, определен предел длительной прочности , который при деформировании в рассоле составляет 30% от прочности при сжатии в воздушной среде [6].
На данном этапе нами исследовалась зависимость приращения объема открытого пустотного пространства и повышение проницаемости от деформационных характеристик каменной соли:
По полученным результатам оценивалась мощность зоны повышенной проницаемости в зависимости от параметров резервуара.
Для исследований изготавливались образцы-близнецы каменной соли цилиндрической формы из кернового материала скважин Россошинской и Романовской площадей, где проектируется строительство подземных хранилищ природного газа, а также
ГИАБ
Лебяжинской площади, где .проводились геологоразведочные работы.
Для понимания процессов, приводящих к изменению экранирующей способности каменной соли в результате воздействия внешней нагрузки, представляется важным описание структуры ее порового пространства.
Описание морфологии порово-трещинного пространства проводилось по отшлифованным поверхностям образцов каменной соли, которые использовались и в дальнейших исследованиях. Наблюдения осуществлялись в отраженном свете на микроскопе №ор^^2 при различных увеличениях и сопровождались зарисовкой и фотографированием объектов.
Подробное описание морфологии порово-трещинного пространства, а также механизм приращения открытой пористости в зависимости от объемных и сдвиговых деформаций приведены в нашей работе [7], поэтому здесь мы ограничимся повторением только основных результатов, полученных в указанной работе.
Основные элементы структуры порово-трещин-ного пространства ненарушенных образцов каменной соли приведены на рис. 1а.
Итоги исследований ненарушенных образцов и образцов после деформирования позволяют предположить следующий механизм изменений в порово-трещинном пространстве образца каменной соли под действием сжимающей нагрузки:
♦ в переходной стадии «уплотнение-разрыхление» уменьшение объема закрытых пор с одновременным увеличением объема взаимосвязанного открытого по-рового пространства за счет разрыва контактов между зернами и разрушения последних по плоскостям спайности;
♦ в стадии разрыхления - появление новых систем открытых трещин и подключение к ним закрытых пор; интенсивное слияние и расширение открытых трещин (рис. 1б).
Таким образом, в области перехода каменной соли от экранов к коллекторам наряду с объемными деформациями важную роль играют сдвиговые.
Количественное определение открытой пористости и проницаемости образцов проводилось по методикам, принятым для изучения коллекторских свойств пород [8].
Открытая пористость определялась методом насыщения образца под вакуумом очищенным керосином, взвешиванием сухого образца в воздухе и насыщенного - в керосине и в воздухе, а абсолютная проницаемость (по азоту) на установке УИПК-1М.
Испытания образцов каменной соли на ползучесть проводились при одноосном ступенчатом нагружении. Испытания считались законченными при достижении образцом заданных объемных деформаций.
По окончании опытов на ползучесть определялась открытая пористость (тп) и абсолютная проницаемость (по газу) образцов (К).
7 і 1999
а) до деформирования:
1 - поры круглой формы; 2 - поры овально вытянутой формы; 3 - участки нерастворимых включений; 4 - линейные элементы (границы зерен, трещины)
б) после деформирования (єу = 0,042) Расширение трещины(1) с подключением ранее закрытой поры (2)
Рис.1. Структура порового пространаства каменной соли (пластовое месторождение\. Калининградская область. Увеличение 300)
Первоначальная открытая пористость образцов (т0) колебалась в пределах 0.2 - 1%, а абсолютная проницаемость (К) от 10-4 мД до практически 0 (< 10-5 мД).
Каменная соль при длительном воздействии нагрузки проявляет реологические свойства.
Деформации образцов каменной соли разделяются на деформации объема и формы, которые удобно характеризуются следующими инвариантами тензора деформаций.
Бу = ^1 + 52 + Б3 (1)
£, =^^3^|{si-s2f+(s^s3f+(&-s1)2; (2)
127
Рис. 3. Зависимость проницаемости каменной соли от объемных деформаций
Пластовые месторождения: 1 - Россошинская пл.: 2 - Романовская; 3 - РГеь Ше и др.. 1998; 4 - Слуцкая пл.
(дилатансии) и отрицательных значений 8у , а также результаты аналогичных исследований, приведенные в работе [5].
где 81,82,83 - главные деформации получаемые непосредственно в опыте.
Присоединение закрытых пор к открытым и образование новых открытых пор возможно при превышении инвариантом 81 некоторой предельной величины 8:. На основе описанного механизма, принимая объемные деформации дилатансии положительными, получим соотношение для определения приращения открытой пористости
Дт = ^К+ф^О (3)
где Дт - приращение открытой пористости; 81 - второй инвариант де-виатора деформации; 8у - объемная деформация.
Здесь
^Б^а, если 81 < 81 ^Б^а + Ь(81 - 81*) sign(8v), если 81 > 81*
ф(81)=0, если 81 < 81* ф(81)=с(81 - 81*) , если 81 > 81*
sign(8v) =1, если 8у > 0 sign(8v)=-1, если 8у < 0 Описание процесса роста приращения открытой пористости соотношением (3), включающем два слагаемых, связано с полученным в ряде экспериментов превышением приращения открытой пористости величины объемных деформаций.
На рис. 2 приведены результаты обработки выполненных экспериментов уравнением (3) при следующих значениях параметров
а =0.3; Ь =0.15; с =0.2; 81* =0.023
менной соли нескольких месторождений в зависимости от объемных деформаций в поле положительных
Приведенные данные в целом характеризуются общей закономерностью возрастания проницаемости с ростом объемных деформаций. Следует отметить, что при дилатансии более 0.01 значения проницаемости, полученные нами, имеют больший разброс и меньшие абсолютные величины, чем в работе [5].
Возможные деформации массива каменной соли в приконтурной зоне резервуара определяются путем решения соответствующих задач механики горных пород [9].
Пользуясь полученной зависимостью (3) можно оценить объем поро-во-трещинного пространства прикон-турной зоны при различных параметрах подземного резервуара (объем, пролет), расположенного в каменной соли данной литологической разновидности.
Рассмотрим в традиционной постановке [9] задачу о деформирование породного массива в окрестности каверны, заполненной насыщенным рассолом. Под влиянием горного давления и противодавления в породном массиве образуется область повышенной открытой пористости, в которую проникает рассол.
Размеры этой области зависят от закономерности изменения открытой пористости в связи с ростом объемных и сдвиговых деформаций. Рассматривается решение задачи о деформировании породного массива с каверной в форме цилиндра конечной длины.
Глубина заложения потолочины каверны 1200 м.
Размер целика между кавернами составляет 160 м. Пролет каверны 80 м., ее высота 400 м. Решение получено методом конечных элементов.
Реологические свойства каменной соли изменяются в процессе эксплуатации в связи с насыщением поро-во-трещинного пространства рассолом. Так как предполагается, что горное давление и давление рассола не изменяются во времени, то для описания реологических свойств используются уравнения состояния теории старения, следующие из теории упрочнения, представленной в работе [9]. Эти уравнения описывают процесс ползучести, протекающий как в одну , так и в три стадии при нелинейной зависимости деформации и напряжений. Кроме того объемные деформации могут быть как уплотнения, так и дилатан-сии. Предел длительной прочности в области повышенной открытой пористости принимается ниже на
40%, чем величина предела длительной прочности вне этой области. Это связано с полученной выше оценкой влияния рассола на величину предела длительной прочности каменной соли.
Решение задачи получено последовательными приближениями. В качестве начального приближения принято предположение об отсутствии области повышенной открытой пористости. То есть в окрестности каверны расположен однородный массив каменной соли с характеристиками, полученными при деформировании каменной соли в воздушной среде. В даль-
нейшем размеры области уточняются по результатам расчета на каждом приближении. На рис.4а и 4б показано положение области повышенной пористости по результатам расчета при первом и третьем приближении. Если не учитывать влияние проникающего рассола на изменение реологических свойств каменной соли, то вместимость каверны уменьшится в процессе эксплуатации на 11.4%, высота на 1.58%, пролет на 3.14%. Учитывая влияние рассола, эти же величины составят 16.6%, 2.24% и 5.01%, соответственно.
В результате проведенных исследований:
♦ предложена зависимость приращения открытой пористости каменной соли от объемных и сдвиговых деформаций;
♦ проведена оценка объема порово-трещинного пространства в зоне повышенной проницаемости на контуре подземного резервуара с конкретными параметрами;
♦ показано влияние зоны повышенной проницаемости в окрестности подземного резервуара на его расчетные размеры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений: -М, 1996, 441 с.
2. Трофимов А.Ю. Разработка методов прогноза и предотвращения газодинамических явлений в зонах геологических нарушений на калийных пластах. Автореферат канд. дис., - Л., 1983, 24 с.
3. Зильбершмидт В.Г. , Тимантеев О.А., Митус А.П. Каталог физических свойств горных пород Верхнекамского калийного месторождения. Часть1.-Пермь, 1976.- 81 с.
4. Константинова С.А. Геомеханические основы методов прогноза и обеспечения устойчивости капитальных выработок калийных и соляных рудников. - Пермь, 1993. - 24 с. Автореф. дисс. на соискание уч. степени докт. техн. наук.
5. Pfeifle, T.W., DeVries, K.L., Nieland, J.D., Damage-Induced Permeability Enhancement of Natural Rock Salt with Implications for Cavern Storage, SMRI, Spring meeting, New Orleans, 1998, 260-287 с.
6. Оксенкруг Е.С. Определение предела длительной прочности каменной соли в реальной среде.//Э.И./ Всес. Науч.-исслед. Ин-т газовой пром-сти.-1974.-№ 6. 18-19 с.
7. Bochkareva R.V., Shafarenko E.M., Sokhranski V.B., Rezunenko V.I., . Parfenov V.I. The Influence of the stress-strain state change on rock salt shielding properties Solution Mining Research Inst., Fall Meeting, Rim, 4-7 October 1998: 407-416 с.
8. Калинко М.К. Методика исследования коллекторских свойств кернов. -М.: Гостоптехиздат, 1963.- 224 с.
9. Shafarenko E.M., Zhuravleva T.Y., Oksenkrug E.S., Tavostin M.N., Shoustrov V.P. Stability of Underground Cavities in Rock Salts. SMRI, 1997,. 495-508 с.
© Е.М. Шафаренко, Р.В. Бочкарева
127
