Влияние вида напряженного состояния на реологические свойства каменной соли Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2000”

МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года 1

III і, 1ІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІШ

;!;! ^ М.Н. Тавостин, 2000

І!І! УДК 622.83:622.363.1

I I М.Н. Тавостин

!! ВЛИЯНИЕ ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

II НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Несущие элементы подземного хранилища газа (ПХГ), сооруженного методом

растворения каменной соли через буровые скважины на длительные сроки эксплуатации, находятся в различных напряженных состояниях.

Определение основных

реологических параметров каменной соли для расчета устойчивости ПХГ согласно СНиП [1] требует сведений о длительной прочности и

деформируемости соляных пород при сложном напряженном состоянии. В лабораторных условиях для

определения реологических свойств

горных пород на образцах наиболее доступным и распространённым нагружением является обобщенное сжатие СТ1>СТ2=СТз (СТ1,СТ2) и СТз -главные напряжения).

Однако анализ механических процессов в породных массивах вблизи горных выработок показывает, что объемное напряженное состояние горных пород по мере удаления от контура выработки изменяется от состояния, близкого к обобщенному растяжению (0,1=0,2.>0'з ) и

обобщенному сдвигу, до состояния равномерного обжатия или обобщенного сжатия в глубине массива [2].

На контуре ПХГ возникает наиболее вероятное напряженное состояние - обобщенное растяжение, причем максимальные напряжения будут соответствовать горному давлению, а минимальное главное напряжение - противодавлению рассола или хранимого продукта.

Вид объемного напряженного состояния характеризуется

параметром Надаи-Лоде Ца = = (2

СТ2-СТ1-СТ3) / (СТ1-СТ3).

Для случая обобщенного сжатия он будет Ца = 1, а для растяжения

Ца = +1.

Сведения об испытаниях каменной соли в условиях неравнокомпанентного сжатия и при обобщенном растяжении имеются в незначительном количестве. В основном это испытания при быстром нагружении горных пород или

материалов, отличающихся по своим

свойствам от каменной соли.

В практическом плане нас

интересует отличие реологических свойств каменной соли для двух

крайних видов напряженного состояния обобщенного растяжения (а1=а2^а3)

и обобщенного сжатия (СТ^О^Оз), поскольку расчет устойчивости ПХГ базируется на экспериментальных работах по сжатию.

Для исследования реологических свойств каменной соли при трехосном напряженном состоянии в ООО «Подземгаз-пром« совместно с ВНИМИ разработана установка БУ-61. Принципиальная схема нагружения образцов этой установки в условиях напряженного состояния 0,1=0,2^С3 (схема Бекера) и аі>^2 =С3 (схема Кармана) изображена на рис. 1.

Толстостенная стальная

цилиндрическая камера 1 имеет с каждого торца два соосных подвижных поршня 3 одинакового диаметра. Цилиндрический образец располагается внутри камеры между подвижными поршнями. Напряжения 0,тах=0'і=0,2 (схема Бекера) и Стіп= а2=а3 (схема Кармана) создаются воздействием давления жидкости, попадающей в камеру от насоса на поверхность образца 2. Уплотнения 5 предотвращают утечку жидкости. Резиновая оболочка 4 изолирует и предотвращает воздействие

гидростатического давления на торцы образца. При одинаковом диаметре образца и поршней 3, воздействие от гидростатического давления в камере на торцы образца сводятся к нулю. Для создания сжимающего усилия на торец образца Стіп=0'3 (схема Бекера) и Стах=0'1 (схема Кармана) существуют два способа. Первый -это извне прикладывается нагрузка Р на поршни 3. Второй способ осуществляется с помощью варьирования диаметров образца и поршня. В условиях отличия диаметров образца и поршня, усилие на торцевую поверхность образца будет исходить от гидростатического давления в камере по мере разностей их площади поперечного сечения. Причем, если эта разность положительная, то

Рис. 1. Принципиальная схема прибора для исследования объемной прочности каменной соли при обобщенном сжатии и растяжении

возникают сжимающие напряжения. При отрицательной разности -растягивающие напряжения. На практике возможна одновременная реализация двух способов создания торцевой нагрузки на образец.

Можно критиковать такую схему установки, однако при нагружения 80% поверхности образца находится вне зажатия нагрузочных плит и имеет большую степень свободы для деформирования, что важно для каменной соли.

Проведение сопоставительных испытаний по определению влияния вида напряженного состояния проводились на цилиндрических образцах каменной соли диаметром 36мм и высотой 72мм. Исследовалась каменная соль Карачаганакского месторождения (Казахстан) со скв.10РТК с интервалов глубин 750900м. Была выбрана соль одной литологической разновидности. По классификации [3] она относится к IX группе и характеризуется как чистая, розовато-белого цвета,

среднезернистой структуры.

Содержание нерастворимых примесей от 1.5 до 5%. Предел прочности при одноосном сжатии составляет 28,7 МПа.

Первоначально проводились

сопоставительные испытания по определению объемной прочности. Испытания по схеме Кармана проводились согласно ГОСТ 21153.8-88 на установке БУ-61 в режиме быстрого нагружения. Режим испытаний образцов за-

Рис. 2.

Сопоставительные испытания на

объемную прочность

Рис. 3

ключался в их предварительном нагружении гидростатическим давлением до

заданного бокового напряжения, а затем -при поддержании бокового напряжения постоянной величиной, осевое давление с постоянной скоростью поднималось до

значений, разрушающих образец. Было испытано 15 образцов при шести значениях минимального напряжения С 3. При минимальном напряжении С3=15 и 20 МПа образцы имели характер пластического разрушения.

При испытаниях по схеме Бекера соблюдались аналогичные условия

нагружения, только максимальные

главные напряжения С1=0'2

создавались гидростатическим

давлением рабочей жидкости, а

минимальное О3 поддерживалась осевой

нагрузкой.

На рис. 2 представлены результаты 18 испытаний на

объемную прочность при обобщенном растяжении и 6 (средние значения) при обобщенном сжатии,

отражающие изменение предельного максимального главного напряжения С1 от минимального главного напряжения С3.

Сопоставляя эти результаты можно отметить, что при Ца = +1 предельные значения а1 выше на 15-20%, чем при Ца = -1 до минимального главного напряжения а3=8МПа, после

которого эти предельные значения в обоих вариантах совпадают.

Рассмотрим эти опыты с точки зрения изменения предельных значений интенсивности касательных напряжений а; от влияния суммы главных напряжений СТУ = О^+Ог+О 3, представленных на рис. 3.

В данном случае при ЦС =_ 1 предельные значения Сі в начальной стадии выше, а с увеличением СТУ происходит их сближение.

Для исследования влияния вида напряженного состояния

на ползучесть проведены

сопоставительные испытания при ЦС =-1 и Ца = +1.

По схеме Кармана проводились опыты на ползучесть в диапазоне изменения СУ=38,5-104,5 МПа. Было проведено более 70 опытов

продолжительностью 500-1000 часов. Обработка результатов испытаний на ползучесть проводилась с

использованием уравнения состояния каменной соли Шафаренко Е.М. [4].

где 7 - интенсивность касательных напряжений; а^ - интенсивность касательных напряжений,

соответствующая пределу длительной прочности при заданной сумме главных напряжений 7 У; 81 -

интенсивность деформации сдвига; 8i ю - интенсивность деформации сдвига при 7 = 7^ и бесконечно большом значении времени; с -коэффициент нелинейности; К и 8 -параметры ядра ползучести.

Целью этих испытаний являлось определение влияния аУ на параметры уравнения 01 ,

8™, с, К, 8 и возможность

надежного описания процессов ползучести в большом диапазоне изменения аi и аУ. По ре-

Рис. 4. Ползучесть при Цст—1

Рис. 5. Объемная ползучесть в условии Цс=+1, МПа:

1-Сі=10,5, С,=42,5, 2-Сі=15,6, С ,=69,0, 3-Сі=18,5, Сл=73,0, 4-С і=21,96, С,=112,0, 5-Сі=25,14, С ,=105

зультатам испытаний определен и выявлен вид зависимости параметров уравнения от ау. В частности предел длительной

прочности С i увеличивается с ростом ау по закону :

а”=ас (А-ехр(каУр)), (2)

где Сс предел прочности при одноосном сжатии, МПа; А, К и р -параметры аппроксимации.

В целом уравнение

удовлетворительно описывает

процесс ползучести каменной соли при обобщенных параметрах, учитывающих влияние ау. На рис. 4 приведены результаты испытаний и

аппроксимация двух серий опытов при Су = = 38,5 МПа и Су = 82,5

МПа с использованием уравнения (1).

По схеме Бекера, ввиду

технической сложности таких

экспериментов, проведено пять испытаний на ползучесть

продолжительностью до 300 часов. Обработка полученных результатов произведена уравнением (1), с ранее полученными параметрами в испытаниях по схеме Кармана. На рис. 5 представлены

экспериментальные данные

ползучести при Цс = +1 и их обработка уравнением (1) при Ца=-1.

Такая аппроксимация кривых

ползучести является

удовлетворительной. Из

вышеуказанного можно

предположить, что параметры ползучести каменной соли

независимы от вида напряженного состояния.

Далее показано как влияет вид напряженного состояния на величину одного из главных параметров ползучести С і на основе семи испытаний при Ца=+1 методом ступенчатого нагружения [5].

Полученные результаты приведены в табл.1, а на рис. 6 эти результаты сопоставлены с ранее определенными значениями С і при

Ца = -1.

На рис.6 видно совпадение значений предела длительной прочности, полученных при двух видах напряженного состояния.

Таблица 1

На основании проведенных исследований и анализа можно сделать следующие выводы:

•

• различие вида напряженного состояния при Ца = +1 и Ца=-1 в незначительной степени влияет на реологические свойства каменной

Индекс

опыта

Каг007

Каг010

Каг012

Каг013

Каг015

Каг019

Каг021

С1 а2

15.1 16,0

17.1

23.0

27.2

29.0

37.1

Напряжения, МПа

С3

0

0

0

1,0

2,0

3.0

10.0

а

8,72

9,24

9,88

12,71

14,56

15,02

15,66

Су

30.2 32,0

34.2

61,0

84,2

главных напряжений для разных видов напряженного состояния кривые ползучести имеют одинаковый качественный и количественный характер развития деформаций во времени, что позволяет проводить

взаимозаменяемость экспериментальных исследований по проведению ползучести.

• на основные параметры реологических свойств каменной соли в большой мере оказывает влияние изменения суммы главных напряжений, что должно учитываться при расчетах устойчивости ПХГ.

В заключении хотелось бы отметить, что испытанный тип каменной соли является относительно

Рис. 6. Щ7,екение предела длительной прочности в зависимости от суммы главных напряжений

соли при

одинаковой сумме главных

напряжений в диапазоне её изменения от 38,5 до 104,5 МПа.

• установле но, что при одинаковых значениях сумм

изотропным материалом, поскольку показал очень близкие прочностные и деформационные свойства при одноосном нагружении в различных по ориентации направлениях. Поэтому нельзя однозначно говорить, что для всех типов каменной соли степень влияния вида напряженного состояния на реологические свойства незначительна. Требуются

дальнейшие исследования в данном направлении для различных типов солей, тогда появится возможность в полной мере оценить влияние вида напряженного состояния.

1. СНиП 2.11.04-85. Подземные хранилища нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов/Госстрой СССР. - М. ! ЦИТП Госстроя СССР. 1986. - 40с.

2. Норель Б.К. Изменение механической прочности угольного пласта в массиве. М.,Наука,1983.

3. Журавлева Т.Ю. Инженерно-геологическая характеристика соляных формаций в связи с созданием подземных хранилищ углеводородов! Автореф. дис.. канд. геолого-минералогических наук.М.,1997.

4. Гальперин АМ. Шафаренко ЕМ. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. - М.: Недра, 1977, - 246с.

5. А.С. 1244546 (СССР). Способ испытания на прочность соляных пород в лабораторных условиях./ Авт. изобрет., Карташов Ю.М., Оксенкруг Е.С. Опубл. в Б.И., 1986, N 26.