Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-геологическая характеристика соляных формаций в связи с созданием подземных хранилищ углеводородов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическая характеристика соляных формаций в связи с созданием подземных хранилищ углеводородов"

На правах рукописи УДК 624.131

ЖУРАВЛЕВА Татьяна Юрьевна

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЛЯНЫХ ФОРМАЦИЙ В СВЯЗИ С СОЗДАНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ УГЛЕВОДОРОДОВ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1996

Работа выполнена в НТЦ "Подземгазпром" РАО "Газпром". Научный руководитель - доктор технических наук

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогичесшх наук,

Ведущая организация - Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

^Защита диссертации состоится * 20" декабря 1996 г. в 19 часов на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06. в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу Москва, Воробьевы горы, геологический факультет МГУ, ауд.823 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан "20" ноября 1996г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по адресу: 119899 ГСП Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06. В.Н.Соколову.

Ученый секретарь диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 053.05.06., доктор

геолого-минералогических наук В.Н.Соколов

Е.М.Шафаренко

профессор Р.С.Зиангиров

- кандидат технических наук, доцент В.С.Зайцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нефть, газ и продукты их переработки составляют примерно 80% в топливно-энергетическом балансе России. Неравномерность газонефтепотребления, географическая разобщенность районов добычи и переработки углеводородов существенно влияет на надежность транспортно-распределительной системы, повышение которой достигается путем резервирования газонефтепродуктов в каменной соли.

Подземные резервуары для хранения углеводородов сооружаются в соляных залежах различных морфологических типов: куполах, штоках и пластах. К настоящему времени достаточно хорошо изучена зависимость физико-механических свойств соляных пород от их состава. В то же время влияние литологических особенностей солей оценивалось фрагментарно и не связывалось с их генезисом. Также при расчетах устойчивости подземных сооружений и создании технологических схем растворения не учитывалось реальное строение соляной структуры, которая принималась однородной.

Выполненные за последние годы исследования соляных месторождений свидетельствуют о необходимости учета в расчетных и технологических схемах геологического строения соляной структуры, а также литологических особенностей и свойств слагающих ее горных пород. Это позволит с одной стороны точнее определить допустимые размеры будущей выработки и необходимое противодавление, что существенно влияет на объемы хранимых продуктов, а с другой стороны избежать нежелательных последствий при ее строительстве и эксплуатации, таких как обрушение кровли или образование вывалов в стенках.

Цель работы. Основной целью исследования является разработка принципов инженерно-геологической схематизации соляных структур на основе изучения закономерностей их строения и изменения физико-механических и физико-химических свойств в зависимости от петрогенетических особенностей соляных пород, прогнозирование инженерно-геологических процессов при строительстве и эксплуатации подземных хранилищ углеводородов с учетом выявленных закономерностей. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение литологических особенностей каменной соли в зависимости от ее генезиса и выделение основных литолого-генетических разновидностей каменной соли.

2. Определение физико-механических и физико-химических свойств каменной соли, установление связи ее петрогенетических особенностей с инженерно-геологическими характеристиками.

3. Изучение соотношения и диапазона изменений свойств различных литолого-генетических разновидностей каменной соли.

4. Разработка основных принципов инженерно-геологической схематизации соляных структур на основе изучения их геологического строения, состава и литологических особенностей слагающих соляные структуры горных пород, их физико-механических и физико-химических свойств. Создание инженерно-геологической модели на основании установленных закономерностей формирования соляных структур.

5. Разработка принципов осреднения реологических параметров слоистого массива каменной соли.

6. Прогноз конвергенции выработки и осадки земной поверхности в связи с изменением напряженно-деформированного состояния массива, обусловленным созданием подземного хранилища.

Исходные данные. Основой для написания диссертационной работы послужили результаты полевых и экспериментальных исследований, выполненных автором в НТЦ "Подземгазпром", фондовые материалы ДАО "Волгоградтрансгаз" и Соликамской геологоразведочной партии, опубликованные источники, посвященные данной проблеме.

Научная новизна работы. Научная новизна исследований заключается в следующих основных положениях, являющихся предметом защиты:

1. Выделены десять основных литолого-генетических разновидностей каменной соли.

2. Установлена петрогенетическая обусловленность физико-механических и физико-химических свойств каменной соли, их соотношение и диапазон изменений.

3. Выявлены наиболее неблагоприятные литолого-генетические разновидности каменной соли, наличие которых в разрезе вызывает осложнения при создании и эксплуатации подземного хранилища.

4. Для различных литолого-генетических разновидностей каменной соли установлена линейная зависимость максимальных значений интенсивности деформаций сдвига от интенсивности касательных напряжений, соответствующих пределу длительной прочности, что позволяет определять максимальное значение интенсивности деформаций сдвига при пределе длительной

прочности любых литологических разновидностей на основании результатов реологических испытаний одной из них.

5. Разработаны принципы построения инженерно-геологической модели соляных структур на основе изучения геологического строения, физико-механических и физико-химических свойств, слагающих их горных пород, что позволяет прогнозировать инженерно-геологические процессы при строительстве и эксплуатации хранилищ.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Практическое значение работы состоит в разработке инженерно-геологической модели для определения параметров подземного хранилища, обеспечивающих его длительную устойчивость.

Результаты работы использовались при проектировании Березниковского, Волгоградского и Калининградского подземных хранилищ газа. Принципы инженерно-геологической схематизации соляных структур в связи с созданием подземных хранилищ включены в нормативные документы: "Инструкция по проведению инженерно-геологических изысканий при проектировании подземных хранилищ нефти, природных газов и продуктов их переработки в залежах каменной соли" (ИИГИ-ПХС-96), НТЦ "Подземгазпром", М., 1996 и СНиП 34-02-97 "Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки", Минстрой России, М., 1997.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных конференциях "Подземное хранение газа" (Москва, 1995 г.) и "Захоронение радиоактивных отходов" (Лас-Вегас, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано две научные работы. Две научные работы находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание изложено на 133 страницах. Диссертация содержит 42 рисунка, 6 таблиц. Список использованной литературы включает 69 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Геологические условия образования каменной соли

Подземные хранилища создаются в соляных формациях, сложенных преимущественно каменной солью.

Каменная соль, являясь осадочной породой, образовалась в процессе литогенеза, включающего несколько стадий - седименто-генез, диагенез и катагенез. Современное состояние каменной соли

обусловливается галокинезом - перемещением соляных масс вследствие проявления каменной солью реологических свойств.

Вопросам строения соляных формаций и литологических особенностей слагающих их пород посвящены работы А.А.Иванова, М.Л.Вороновой, Я.Я.Яржемского, Е.А.Яржемской,- М.АЖаркова,

A.Л.Яншина, Е.Э.Разумовской, М.Г.Валяшко, Я.Г.Вант-Гоффа,

B.А.Вахрамеевой, Б.М.Голубева, В.С.Деревягина, С.А.Свидзинского,

B.И.Седлецкого, А.Е.Ходькова, С.В.Ходьковой, Д.П.Хрущова,

C.Б.Шехуновой, В.С.Конищева, В.И.Китыка, Я.К.Писарчика, И.К.Жеребцова.

Каменная соль характеризуется весьма простым и достаточно однообразным минеральным составом. Породообразующим минералом является галит, а в качестве примеси обычно присутствуют ангидрит, карбонаты, глинистое вещество и алевритовый материал.

Вследствие постоянного химического состава каменной соли одной из определяющих характеристик ее свойств является текстура и структура. Структурно-текстурные особенности каменной соли тесно связаны с различными этапами ее образования. В соответствии с этими этапами (различными стадиями литогенеза) выделяются первичные (седиментационные) структуры и вторичные (диа- и катагенетические). Первичных структур в чистом виде в природе не существует. Все они несут, как правило, на себе следы более поздних изменений.

Многочисленные исследования структурно-текстурных особенностей каменной соли как пластовых, так и купольных соляных залежей, позволили выделить десять ее основных литолого-генетических разновидностей - каменную соль с идентичным минеральным составом и структурно-текстурными признаками, практически с одинаковым содержанием нерастворимых примесей. Эти разновидности связаны с четырьмя этапами их образования - се-диментогенезом и ранним диагенезом, поздним диагенезом, катагенезом, галокинезом (табл. 1).

Подобные литолого-генетические разновидности выделяются как в пластовых залежах, так и в солянокупольных структурах. Отличие заключается в преобладании одних разновидностей над другими и в степени развитости структур и текстур галокинеза.

2. Петрогенетическая обусловленность физико-механических и физико-химических свойств каменной соли

Свойства соляных пород исследовались Э.И.Бергманом, Н.С.Булычевым, В.Л.Водопьяновым, Ж.С.Ержановым, М.Д.Ильино-вым, Е.И.Ильницкой, Ю.М.Карташовым, Г.Н.Кузнецовым, В.С.Ливен-

Таблица 1

Инженерно-геологические характеристики литолого-генетических разновидностей каменной соли

Инженерно-геолопгчеокпе характеристики Литолого-генетические разновидности каменной соли стадии

седнментогенеза и раннего диагенеза позднего диагенеза катагенеза галокинеза

"пернет ал" среднеэ ер-вист ал ело в стал "пернет ал" крупнозернистая меяхо-тскхо-зернистая равномер-иоэернистая с ослабленными связями равномер-ноэернистая крупнокристаллическая гиганто-кристаллическая "шпатовая" разнозернис-тал с собирательной пере-христаллизац. каркасная с глиной (а) или ангидритом (б) флюкдальная

I II III IV V VI VII VIII IXa i 1X6 X

Плотность, р, г/сы1 2,12 2,14-225 2,12 2,14 2.09 2,12 2,13 2,15 225 228 2,13

Естественная влажность, Wc, % 0,1-0.2 0.1-0Д 0,1-ОД 0,1-0,2 1,6-2,0 0,1-0.2 0,1-02 0,1-0.2 0.1-02 0,1-02 0,1-02

Коэффициент скорости растворения, Кр, ыУя 0.04« 0.0150.049 0,048 0,047 0,09 0,044 0,039 - - - 0,045

Скорость продольной во-таы Vp, м/с 3400 4000 3600 4000 2500 4000 3400 3600 3700 3900 3500

Мгновенная прочность, ас. МПа 28.0 27,0-32,0 24,0 34.0 18.0 29,0 14,0 25,0 23,0 33,0 20.0

Предел длительной прочности, eff, МП» 14,0 16Д-19.0 12.0 21,0 13.5 16.0 7,0 14,0 15,0 22.0 13,0

О? СГс 0.5 0.6 0.5 0.6 0,7-0,75 0.5-0,6 0,5 0,6 0.65 0.65 0.6-0.65

ским, А.В.Меркуловым, М.П.Нестеровым, Н А.Николайчуком, Е.С.Оксенкругом, А.Н.Ставрогиным, М.Н.Тавостиным, Г.И.Ширко, W.Dreyer, К.-Н.Hofer, W.Menzel, A.Michalzic, L.Obert, H.Pforr, G.Р.Rosetz, S.Serata, S.Sakurai. В отношении мономинеральной соли высказывалось предположение, что ее свойства .определяются размером зерен, тогда как остальные петрографические особенности оказывают несущественное влияние. Физико-механические свойства соляных пород связывались с их структурными особенностями, но не учитывалось многообразие текстур соли, связанное прежде всего с их генезисом.

С целью изучения физико-механических и физико-химических свойств каменной соли в зависимости от их литолого-генетических особенностей проводились исследования пяти пластовых: Березни-ковского, Городищенского, Усть-Кутского, Россошинского, Оренбургского и Усольского месторождений и солянокупольного - Тере-клинского месторождения. В результате проведенных исследований получены инженерно-геологические характеристики литолого-генетических разновидностей каменной соли, которые сведены в табл.1.

Исследовалось поведение каменной соли при мгновенном и длительном нагружении в условиях одноосного и трехосного сжатия, а также скорость ее растворения. Определялись прочность и деформации каменной соли, скорость прохождения продольной ультразвуковой волны, пределы длительной прочности, интенсивность деформации сдвига, соответствующая пределу длительной прочности и коэффициент скорости растворения.

Сравнительный анализ инженерно-геологических характеристик литологических разновидностей каменной соли показал, что неблагоприятными разностями, которые могут вызвать осложнения как при строительстве, так и при эксплуатации подземных выработок, являются равномернозернистая каменная соль с ослабленными межзерновыми связями (V), гигантокристаллическая "шпатовая" (VII) и флюидальная (X) разновидности, причем у последней необходимо учитывать направление течения соли, подчеркнутое вытя-нутостью зерен галита. Если мгновенная прочность всех остальных разновидностей - 23 - 34 МПа, то выше перечисленных - 14 - 20 МПа.

Исследования показали, что не всегда наибольшей мгновенной прочности соответствует наибольшее значение относительной продольной деформации. Цитологические разновидности каменной соли стадии седиментогенеза и раннего диагенеза при разрушении имеют одинаковые значения относительных продольных деформа-

ций. Позднедиагенетическая равномернозернистая каменная соль с ослабленными межзерновыми связями (V) и катагенетическая гигёнтокристаллическая "шпатовая" (VII) деформируются в меньшей степени. Это связано с тем, что седиментационная и раннедиагене-тическая каменная соль более пластична, чем позднедиагенетическая и катагенетическая.

Высокую скорость прохождения продольной ультразвуковой волны имеют II, IV, VI и IX разновидности , а низкую - V литоло-гическая разновидность с ослабленными межзерновыми связями. Для скальных пород обычно отмечается закономерное возрастание скорости продольных волн с увеличением прочности. В основном эта закономерность сохраняется и для каменной соли. Исключение составляет каменная соль гигантокристаллической "шпатовой" структуры. Это связано с тем, что кристаллы такой соли имеют многочисленные микротрещины, наличие которых мало влияет на скорость прохождения продольной волны. Однако даже при приложении небольших нагрузок происходит развитие этих трещин параллельно спайности, что резко понижает их прочность.

Для установления предела длительной прочности проводились испытания при постояннном и ступенчатом нагружении. За предел длительной прочности в первом случае принимали напряжения, при которых наблюдался переход к разрыхлению образца, а во втором случае - напряжения, соответствующие максимальному его уплотнению.

Предел длительной прочности III, V, VII и X разновидностей невелик и составляет 7,0 -13,5 МПа. Особенно низкий предел длительной прочности гигантокристаллической "шпатовой" каменной соли (VII) - 7 МПа.

Анализ результатов определения мгновенной и и длительной СГ^ прочности всех литологических разновидностей в условиях одноосного сжатия показал, что их соотношение непостоянно и зависит от характера разрушения: хрупкого или пластичного (рис.1).

cf°

Наименьшее отношение _£-, равное 0,5 - 0,6, имеет седиментаци-

сг

с

онная и раннедиагенетическая каменная соль, наибольшее - позднедиагенетическая равномернозернистая ее разновидность с ослабленными межзерновыми связями - от 0,7 до 0,75.

ШОс, МПа □ <7?, МПа

Рис.1. Соотношение мгновенной и длительной прочности литологических разновидностей каменной соли

Полученная корреляционная связь мезду мгновенной и длительной прочностью позволяет оценить последнюю, исходя из более простых определений мгновенной прочности литологических разновидностей каменной соли, слагающих соляную структуру.

Также оценивалось влияние нерастворимых субгоризонтальных ангидритовых пропластков на предел длительной прочности каменной соли и на отношение его к величине мгновенной прочности. Установлено, что наличие ангидритовых пропластков в каменной соли приводит к существенному увеличению длительной прочности по сравнению с увеличением мгновенной прочности. Так, при наличии пятимиллиметрового ангидритового прослойка в тонкозернистой каменной соли мгновенная прочность увеличивается на 17 %, при этом предел длительной прочности возрастает более, чем на 60 %. Значения интенсивности деформаций сдвига при пределе длительной прочности чистой и загрязненной каменной соли отличаются, причем за счет различия в боковых деформациях при практически совпадающих вертикальных.

Существенное влияние на величину предела длительной прочности оказывает величина суммы главных напряжений. Седи-ментационные и раннедиагенетические разновидности и флюи-

(О

ег, тр

дальная каменная соль имеют довольно высокие значения ——-

<т, одн.

от 1,4 до 1,8. Наличие ангидритовых пропластков уменьшает это

сг, тр

отношение до 1,23. Такие же пониженные значения —-имеет

сг, одн.

позднедиагенетическая равномернозернистая каменная соль с ослабленными межзерновыми связями (V) и катагенетическая равномернозернистая крупнокристаллическая разновидность (VI).

Здесь сг?3 тр. - интенсивность касательных напряжений при пределе длительной прочности в условиях трехосного сжатия;

сг?° одн. - интенсивность касательных напряжений при пределе длительной прочности в условиях одноосного сжатия;

сг,. = ^-(с"! - <Т31; <Т[, сг3 - главные напряжения.

С целью исследования для различных литологических разновидностей зависимости интенсивности деформаций сдвига от

интенсивности касательных напряжений О*?, соответствующих пределу длительной прочности, рассматривались результаты испытаний на ползучесть при одноосном сжатии образцов каменной соли пяти литологических разновидностей Березниковского месторождения. На рис.2 представлен график зависимости от (Т/° литологических разновидностей каменной соли. График представляет собой прямую линию, практически проходящую через начало

координат. Прямолинейная зависимость от сУр (рис.3) была

получена и в опытах на ползучесть при трехосном сжатии пяти литологических разновидностей каменной соли Россошинской площади. Здесь - интенсивность деформации сдвига при пределе длительной прочности и бесконечно большом значении времени;

= 4-(£'1-£■,]; 8у, 83 - главныедеформации. уз

Установленная для различных литологических разновидностей каменной соли линейная зависимость максимальных значений интенсивности деформаций сдвига от интенсивности касательных напряжений, соответствующих пределу длительной прочности, позволяет определять максимальное значение интенсивности деформаций сдвига при пределе длительной прочности любых литологических разновидностей на основании результатов реологических испытаний одной из них.

ooe

007

oos

ryao

i 00«

053

C» 0 01

и

0 . 1

af

. .. /.л.-/.'.../ ! . л

Рис.2. Деформируемость каменной соли Березниковского месторождения при одноосном сжатии

sil

*

**

10 ч;ЛНчЖ«- -Г.-Ик

О?

Рис.3. Деформируемость каменной соли Россошинского месторождения при трехосном сжатии

и

Для расчета регламента создания подземных хранилищ углеводородов определяется коэффициент скорости растворения в условиях естественной конвекции - Кр. Цитологические разновидности каменной соли, за исключением II, V и VII, характеризуются незначительно изменяющимися коэффициентами скорости растворения - 0,044 - 0,047 м/ч. Равномернозернистая каменная соль с

ослабленными связями (V) является самой быстрорастворимой и имеет высокий коэффициент скорости растворения - до 0,09 м/ч. Коэффициент скорости растворения гигантокристаллической "шпатовой" каменной соли (VII) составляет 0,039 м/ч. Значительный разброс значений коэффициента скорости растворения слоистой каменной соли (II) 0,015 - 0,049 м/ч связан с различным содержанием ангидритовых пропластков.

3. Инженерно-геологическая схематизация пластовой соляной структуры

Инженерно-геологическая схематизация соляных структур проводится с целью оценки устойчивости подземных выработок и создания технологической схемы растворения. Схематизируется та часть соляной структуры, которая находится в сфере воздействия подземного хранилища.

Различные способы описания механического поведения каменной соли при расчете устойчивости соляных массивов в окрестности подземных выработок предлагали ГААршинов, ААБарях, Ж.С.Ержанов, Л.Н.Кислер, САКонстантинова, Г.АМахо, А.Г.Оловянный, А.Г.Протосеня, А.К.Черников, Е.М.Шафаренко, AF.Fossum, ZKIeczek, K.H.Gerstle, S.Serata, S.Sakurai, W.Menzel, M.Langer. Однако при этом не учитывалось геологическое строение и литологические особенности соляной структуры.

В результате исследований, связанных с оценкой устойчивости массива в окрестности подземного хранилища и составлением технологической схемы растворения, создается инженерно-геологическая модель. Основными принципами ее построения являются:

- выделение элементов модели по минеральному составу и степени неоднородности, связанной с литологическими особенностями каменной соли, в результате чего создается геолого-структурная модель;

- определение инженерно-геологических характеристик выделенных элементов;

- выявление наиболее ослабленных участков с точки зрения устойчивости приконтурного массива и элементов с повышенной и пониженной скоростью растворения.

Геолого-структурная модель может состоять как из одного, так из нескольких элементов. Такие элементы связаны с пространственным расположением в соляной структуре пород различного минерального состава, степенью неоднородности каменной соли по

литологическим признакам, а также с проявлением тектонических процессов на месторождении.

Разработанные принципы построения инженерно-геологической модели были использованы при проектировании Березников-ского и Россошинского подземных хранилищ газа (ПХГ).

Геолого-структурная модель соляного массива, в котором проектируется создание Березниковского ПХГ, представлена двумя элементами. Первый состоит из трех слоев и связан с ритмичным чередованием определенных литологических разновидностей каменной соли. Второй элемент отражает распределение глинистых прослоев по разрезу. Наличие глинистых пропластков ослабляет соляной массив в окрестности выработки и может приводить к обрушениям.

При создании геолого-структурной модели Россошинской пластовой соляной залежи было выделено восемь ритмов солена-копления, а также следующие элементы модели по минеральному составу горных пород и степени неоднородности каменной соли, связанной с ее литологическими особенностями: однородная каменная соль 7-ой ритмопачки, неоднородные пласты каменной соли 8-ой, 6-ой и 5-ой ритмопачек, 20-ти и 5-ти метровые прослои бишо-фита соответственно 7-ой и 6-ой ритмопачек, сильвинитовые, кар-наллитовые и сильвинит-карналлитовые прослои 7-ой и 6-ой ритмопачек, полигалитовый прослой 5-ой ритмопачки, а также трехметровый пласт ангидрита и 50-ти метровый пласт глины с прослоями песчаника, залегающие выше кровли каменной соли..

Для создания инженерно-геологической модели соляной структуры, вмещающей Березниковское ПХГ, были получены физико-механические и физико-химические характеристики литологических разновидностей каменной соли. Используя эти характеристики, определялись средневзвешенные реологические характеристики каждого слоя геолого-структурного элемента рассматриваемой соляной структуры. Было получено, что мгновенная и длительная прочности, а также интенсивность деформаций сдвига при пределе длительной прочности всех выделенных по литологическим признакам слоев изменяется в небольших пределах, соответственно, от20 до 21,3 МПа, от 11 до 12,5 МПа и от 0,05 до 0,06. Наиболее быстрорастворимым слоем является нижний слой Кр = 0,072 м/ч, наименьшей скоростью растворения обладает средний слой - Кр = 0,046 м/ч. При построении инженерно-геологической модели учитывались физико-механические свойства глинистых пропластков, в частности их сдвиговые характеристики, которые использовались с целью уточнения размеров пролета вы-

работки с помощью физического моделирования на эквивалентных материалах.

Для создания инженерно-геологической модели Россошинской соляной структуры, вмещающей ПХГ, были получены физико-механические и физико-химические характеристики как литоло-гических разновидностей каменной соли, так и соляных пород, слагающих эту структуру. Однородные элементы модели по минеральному составу и литологическим признакам характеризуются значениями реологических параметров, определенных для слагающих эти элементы пород.

Прослои бишофита обладают низким значением интенсивности касательных напряжений, соответствующей пределу длительной прочности, сг® = 2,4 МПа. Полигалитовый прослой имеет

высокие значения мгновенной и длительной прочности, соответственно 43,3 и 14,5 МПа. Отдельным элементом модели является четырехметровый ангидрит-доломитовый пропласток в основании 6-ой ритмопачки. Он характеризуется модулем упругости - Е = 5,5 • 104 МПа и коэффициентом Пуассона V = 0,25.

Для неоднородных элементов, состоящих из нескольких слоев, образованных теми или иными ритмично переслаивающимися в определенных соотношениях литолого-генетическими разновидностями каменной соли, для каждого слоя были рассчитаны средневзвешенные характеристики. Неоднородная по литологическим признакам 8-ая ритмопачка характеризуется существенным разбросом значений характеристик физико-механических

свойств. На фоне средней прочности С составляющей около 24

МПа, в средней и нижней трети 8-ой ритмопачки наблюдаются слои с пониженной прочностью - соответственно 17,5 и 14,8 МПа, а в верхней части разреза - прослой гергеита с каменной солью с прочностью - от 29,4 до 51,5 МПа. Интенсивность касательных напряжений, соответствующих пределу длительной прочности, составляет 8,7 - 9,8 МПа, за исключением прослоя в нижней трети ритмопачки, где сг"= 6,9 МПа и прослоя каменной соли с гергеи-

том, где 11,4 МПа. Интенсивность деформаций сдвига, соответствующих пределу длительной прочности, изменяется от 0,09 до 0,12.

Также неоднородными по литологическим признакам является и каменная соль 6-ой и 5-ой ритмолачек, мгновенная прочность которой изменяется в основном в зависимости от содержания ангид-

ритовых пропластков ( от 1 до 40 %) от 26 до 35 МПа, а длительная от 11,7 до 12,7 МПа. При содержании ангидрита более 40 % прочность породы возрастает до 79 МПа. Интенсивность деформаций сдвига при пределе длительной прочности изменяется от 0,11 до 0,13.

Коэффициент скорости растворения каменной соли меняется в широких пределах: от 0,017 до 0,062 м/ч, в зависимости от содержания нерастворимых или слабо растворимых минералов.

Таким образом, если Березниковская соляная структура характеризуется слабо изменяющимися реологическими характеристиками, то для Россошинской соляной структуры характерна значительная неоднородность инженерно-геологических характеристик элементов этой структуры.

При расчете устойчивости соляного массива в окрестности выработок приходится учитывать довольно большое количество слоев, представленных в инженерно-геологической модели, что затрудняет ее использование. Поэтому оценивалась возможность объединения некоторых слоев. Слои, залегающие в стенке выработки, объединению не подлежали, так как каиедый слой оказывает значительное влияние на устойчивость подземного сооружения. Для определения возможности объединения слоев, залегающих выше потолочины и ниже днища резервуара, рассматривалась задача о напряженно-деформированном состоянии двуслойного породного массива в окрестности сферической выработки радиусом (полупролетом) а. Полученные результаты проверялись для цилиндрической выработки с плоской потолочиной. В качестве критерия определения допустимой мощности слоя принималась величина погрешности определения смещения контура выработки, равная 10 %.

На основании выполненных расчетов были сформулированы следующие рекомендации. Все слои, расположенные на расстоянии более трех полупролетов от контура выработки, могут быть объединены в один слой. Слои, суммарная мощность которых не превышает 0,75а, расположенные в интервале от 1,5а до За, мощностью менее 0,3 а в интервале от а до 1,5а и мощностью менее 0,1 а, расположенные на расстоянии до полупролета от контура резервуара, могут также объединяться в один слой.

Основными инженерно-геологическими процессами при создании и эксплуатации подземных хранилищ углеводородов являются конвергенция выработок и связанная с ней осадка земной поверхности.

Практика длительной эксплуатации горных выработок в соляных отложениях свидетельствует о том, что деформирование носит пластический характер, степень проявления которого существенно зависит от глубины заложения выработки. Установлено, что величина и скорость конвергенции выработок равных объемов зависит от тектонических условий, глубины заложения и противодавления хранимого продукта. Деформация резервуара зависит от расположения резервуара в структурном плане и относительно тектонических нарушений.

В связи с проявлением каменной солью реологических свойств, уменьшение объема подземных резервуаров наблюдается и во время эксплуатации, что приводит к осадкам земной поверхности. По данным многочисленных исследований объем осевшей земной поверхности равен уменьшению вместимости выработки при конвергенции. Поэтому в работе не исследуется поведение горных пород, залегающих выше соляной структуры.

Мульда оседания земной поверхности рассчитывалась как для Березниковского, так и для Россошинского хранилищ. Было установлено, что, чем больше глубина заложения выработки, тем меньше осадка над ее центром, но больше радиус мульды оседания земной поверхности.

Заключение

В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы.

1. Физико-механические и физико-химические свойства каменной соли обусловлены ее генезисом и, как следствие, литоло-гическими особенностями, приобретенными каменной солью на определенном этапе ее образования. В зависимости от генезиса и литологических особенностей каменной соли выделяются десять ее основных разновидностей.

2. Сравнительный анализ физико-механических и физико-химических свойств литолого-генетических разновидностей каменной соли показал, что неблагоприятными разностями, наличие которых может вызвать осложнения как при строительстве, так и при эксплуатации подземных выработок, являются:

- позднедиагенетическая равномернозернистая каменная соль с ослабленными межзерновыми связями типа "гранатки" (V), имеющая пониженные значения мгновенной прочности и высокую скорость растворения;

-катагенетическая гигантокристаллическая (VII), обладающая низкой мгновенной и длительной прочностью;

- флюидальная этапа галокинеза (X), имеющая низкую мгновенную прочность.

4. Соотношение длительной и мгновенной прочности литоло-гических разновидностей каменной соли непостоянно и зависит от их генезиса. Наибольшее его значение имеет позднедиагене-тическая каменная соль, наименьшее - первичноседиментационная и раннедиагенетическая.

5. Для различных литологических разновидностей каменной соли установлена линейная зависимость максимальных значений интенсивности деформаций сдвига от интенсивности касательных напряжений, соответствующих пределу длительной прочности, что позволяет определять максимальное значение интенсивности деформаций сдвига при пределе длительной прочности любых литологических разновидностей на основании результатов реологических испытаний одной из них.

6. При разработке инженерно-геологической модели необходимо учитывать геологическое строение соляной структуры, лито-лого-генетические особенности слагающих ее горных пород, их физико-механические и физико-химические свойства, что позволяет повысить надежность эксплуатации подземных хранилищ газа.

Установлено, что Березниковская соляная структура характеризуется ритмичным переслаиванием четырех литологических разновидностей каменной соли, наличием в верхней части большого количества глинистых пропластков, имеет однородный минеральный состав и характеризуется слабо изменяющимися реологическими показателями всех выделенных по литологическим признакам слоев. Россошинская соляная структура характеризуется значительной неоднородностью минерального состава и инженерно-геологических характеристик слагающих ее горных пород.

7. Разработаны рекомендации по осреднению реологических характеристик слоистого массива каменной соли. Все слои, расположенные на расстоянии более трех полупролетов от контура выработки, могут быть объединены в один. Слои, суммарная мощность которых не превышает 0,75а, расположенные в интервале от 1,5а до 3а, мощностью менее 0,3а в интервале от а до 1,5а и мощностью менее 0,1¿7, расположенные на расстоянии до полупролета от контура резервуара, могут также объединяться в один слой.

8. Тектонические условия площади, глубина заложения выработки и величина противодавления хранимого продукта определяют интенсивность инженерно-геологических процессов при создании подземных хранилищ углеводородов - конвергенции выработки и осадки земной поверхности, которые необходимо прогнозировать. С глубиной скорость конвергенции растет, а с увеличением противодавления падает. Чем больше глубина заложения выработки, тем меньше осадка над ее центром, но больше радиус мульды оседания. Суммарная величина осадок на площадке строительства подземного хранилища углеводородов зависит от взаимного влияния выработок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Deformation of Underground Deep Cavities in Rock Salts at Their Long-Term Operation. - In: Proceedings of the Sixth Annual International Conference. Las Vegas, Nevada, 1995. - p.34-36 (Соавтор Е.М.Шафаренко).

2. Длительная устойчивость подземных газохранилищ в соляных отложениях / Сб. научн. трудов "Подземное хранение газа",- М.: ВНИИГАЗ, 1996. -с.57-62 (Соавтор Е.М.Шафаренко).

3. Инструкция по проведению инженерно-геологических изысканий при проектировании подземных хранилищ нефти, природных газов и продуктов их переработки в залежах каменной соли // находится в печати (ИИГИ-ПХС-96. НТЦ "Подземгазпром". - М., 1996)

4. Геомеханическая модель соляного массива в связи с прогнозом устойчивости подземных газохранилищ // находится в печати (Газовая промышленность, 1997. - № 1).