Обоснование и разработка метода определения механических свойств каменной соли с учетом начального поля напряжений

Кошелев, Александр Евгеньевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование и разработка метода определения механических свойств каменной соли с учетом начального поля напряжений
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка метода определения механических свойств каменной соли с учетом начального поля напряжений"

На правах рукописи 005060373

Кошелев Александр Евгеньевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ СОЛИ С УЧЕТОМ НАЧАЛЬНОГО ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 25.00.20 —«Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАИ 2013

Москва 2013

005060373

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Физика горных пород и процессов»

доктор технических наук, профессор ШКУРАТНИК Владимир Лазаревич, заведующий кафедрой ФТКП ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»;

кандидат технических наук ОСОКИН Александр Андреевич, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем комплексного освоения недр РАН» (ИПКОН РАН) (г. Москва), научный сотрудник отдела проблем геомеханики и разрушения горных пород

Ведущая организация

ОАО «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им.А.А. Скочинского» (МО, г. Люберцы)

Защита состоится 29 мая 2013 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор БАКЛАШОВ Игорь Владимирович

Официальные оппоненты:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 29 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мельник Владимир Васильевич

Общая характеристика работы

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

При создании и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) в каменной соли необходимо иметь достоверную информацию о тех соляных залежах, в которых строится и эксплуатируется ПХГ: физико-механические свойства массива соляных пород используются для расчетов устойчивости хранилищ. В процессе экспериментальных исследований по изучению физико-механических свойств соляных пород практически не учитывается история нагружения исследуемого породного образца в массиве, которая в большой степени влияет на его свойства.

В связи с тем, что подземные резервуары в каменной соли эксплуатируются без какого-либо крепления выработки-емкости, то для поддержания устойчивого объема подземного резервуара при его эксплуатации необходимо минимальное противодавление хранимого продукта. Снижение давления буферного газа, при помощи которого создается минимальное противодавление, является экономически выгодным в связи с тем, что буферный газ используется только для поддержания устойчивости подземного резервуара и его стоимость составляет более 20% от общих капитальных затрат при создании и эксплуатации ПХГ.

Результаты расчетов устойчивости подземных резервуаров с использованием физико-механических свойств каменной соли, определенных экспериментальным путем с учетом истории нагружения соляного массива, могут существенным образом повлиять на эксплуатационные параметры ПХГ,

в том числе и на давление буферного газа. Следовательно, корректное и точное определение свойств соляных пород представляет одну из первоочередных задач при создании и эксплуатации подземных хранилищ газа.

Решение этой задачи весьма значимо и для проектирования грузонесущих элементов системы разработки на соляных рудниках.

Изложенное выше определяет актуальность настоящей диссертационной работы, посвященной экспериментальному определению свойств породных образцов каменной соли в объемном напряженном состоянии с учетом начального поля напряжений в массиве.

Целью диссертационной работы является обоснование и разработка метода определения механических свойств каменной соли в объемном напряженном состоянии с учетом влияния начального поля напряжений в породном массиве.

Идея работы состоит в предварительном всестороннем сжатии исследуемых образцов давлением, соответствующим начальному полю напряжений в соляном массиве, и последующем объемном нагружении, адекватно отражающем напряженно-деформированное состояние при образовании выработки.

Научные положения, выносимые на защиту:

-установлено, что изучение напряженно-деформированного состояния и процессов разрушения каменной соли методами лабораторного эксперимента следует проводить в объемном напряженном состоянии на образцах, выдержанных при начальном гидростатическом сжатии в течение времени релаксации напряжений (порядка одного часа) давлением, соответствующим тому, при котором находился образец в нетронутом соляном массиве;

-экспериментально установлена закономерность деформирования и

разрушения каменной соли с учетом начального гидростатического поля

напряжений, исследованная на породных образцах с объектов строящихся

подземных хранилищ газа России и Белоруссии: значение модуля деформации

возрастает до 90 %; значение модуля упругости - до 30%; коэффициента

Пуассона - до 30%; значение объемной прочности - до 30%; значение предела длительной прочности - до 30 % по сравнению со стандартными методами испытаний;

-экспериментально обоснован метод определения модуля упругости, модуля деформации, коэффициента Пуассона, объемной прочности и предела длительной прочности породных образцов каменной соли с учетом предварительного всестороннего сжатия давлением, соответствующим начальному полю напряжений в породном массиве.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

использованием при проведении экспериментов современных технических средств измерений, отличающихся высокими метрологическими свойствами, а также применением для обработки получаемой информации современных средств вычислительной техники и специализированного программного продукта;

представительным объемом экспериментальных данных для установления искомых закономерностей, полученных при исследовании более 100 образцов соляных горных пород;

- корректностью проводимых экспериментальных исследований с коэффициентом вариации полученных данных при одинаковых термобарических условиях, не превышающим 20%.

Научная новизна работы заключается в следующем: -экспериментально доказано, что начальное гидростатическое поле напряжений, соответствующее напряженному состоянию соляного массива, существенным образом влияет на закономерности деформирования и разрушения породных образцов каменной соли;

-впервые определены количественные значения деформационных, прочностных и реологических характеристик породных образцов каменной соли с объектов строящихся подземных хранилищ газа России и Белоруссии, с

учетом предварительного нагружения полем начальных напряжений.

Научное значение диссертации заключается в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях деформирования и разрушения каменной соли в сложном напряженном состоянии.

Практическое значение диссертации состоит в разработке экспериментального метода определения деформационных, прочностных и реологических свойств каменной соли с учетом предварительного всестороннего сжатия давлением, соответствующим начальному полю напряжений в породном массиве.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ООО «Подземгазпром» для проектирования подземных хранилищ углеводородов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2010г., 2012г.), Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2-3 апреля 2009 г.), Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 22-24 апреля 2009г.), на научных семинарах кафедры ФГПиП МГГУ и факультета ФТ (2010-2012 гг.), на научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы топливной промышленности в РФ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 143 страницах, содержит 65 рисунков, 27 таблиц, список используемой литературы из 78 наименований.

Основное содержание работы

Подземные резервуары хранилищ углеводородов, сооружаемые методом

растворения каменной соли через буровые скважины, начали создаваться в

середине XX века. Основными критериями пригодности месторождения

каменной соли для сооружения ПХГ необходимого объема являются мощность,

конфигурация соляного тела, глубина залегания и физико-механические

свойства соли. Вопросами проектирования, технологии создания и эксплуатации ПХГ в каменной соли занимались В.Ж. Арене, П.М. Гофман-Захаров, В.А. Грохотов, О.М. Иванцов, Б.Н. Федоров, М.Н. Шуплик, И.В. Баклашов, В.Г. Хлопцов, В.А. Мазуров, В.И. Смирнов, B.JI. Шкуратник и другие.

Исследованиями механических свойств соляных пород занимались Мендель В., Шрайнер В., Шаманский Г.П., Воронцов В.Н., Габдрахимов И.Х., Протодьяконов М.М., Чирков С.Е. и др. Методика определения механических свойств горных пород, а также применяемая при этом аппаратура подробно описаны в работах Ильницкой Е.И., Тедера Р.И, Ватолина Е.С., Кунтыш М.Ф., Осокина A.A. Определение деформационных характеристик горных пород, в том числе и соляных, при одноосном сжатии приведено в ГОСТ 28985-91.

Наиболее полные исследования образцов соляных пород в условиях трехосного сжатия представлены в работе «Физико-механические свойства соляных пород» (авторы Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К.). Объемная прочность горных пород, в том числе соляных, определяется согласно ГОСТ 21153.8-88.

В области изучения длительного деформирования соляных пород в лабораторных условиях большой вклад внесли Ю.И. Бурчаков, В.Л. Водопьянов, В.Г. Зильбершмидг, М.Д. Ильинов, Ю.М. Карташов, Г.Н. Кузнецов, Н.М. Проскуряков, А.Н. Ставрогин, Б.В. Титов, Е.С. Оксенкруг, A.B. Черноиван, М.Н. Тавостин и др.

Исследования горных пород в условиях всестороннего сжатия проводили Воларович М.П., Балашов Д. Б., Павлоградский В. И., Баюк Е. И., Жданов В. В., Картозия Б.А., Томашевская И. С., Норель Б.К. и другие. Бич З.А. и Баженов А.И. при исследовании соляных пород Верхнекамского месторождения установили, что значения модуля упругости в натурных испытаниях примерно в 2 раза выше, чем в лабораторных. Влиянием начального поля напряжений на физико-механические свойства соляных пород занимались Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, Г.В. Михеев, А.Б. Фадеев.

Справочные сведения о поведении соляных пород в сложном напряженном состоянии носят ограниченный характер и недостаточны по своей представительности для широкого использования в конкретных геологических условиях. Имеющиеся немногочисленные определения свойств соляных пород в натурных условиях проведены главным образом на блоках пород косвенными методами на небольших глубинах и мало пригодны для применения в расчетах устойчивости выработок.

В соответствии с целью диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

— определить оптимальное время нахождения образца под начальной нагрузкой, соответствующей полю напряжений, при которой образец находился в массиве;

— установить влияние начального поля напряжений на деформационные свойства каменной соли, такие как модуль деформации, модуль упругости и коэффициент Пуассона;

— определить прочностные параметры соляных образцов, предварительно сжатых давлением, соответствующим начальному полю напряжений;

— оценить влияние начального гидростатического сжатия породных образцов каменной соли на предел длительной прочности;

— произвести расчет минимального давления газа в подземной выработке-емкости, используя значения предела длительной прочности, определенного по двум схемам нагружения.

Экспериментальные исследования деформационных свойств породных

образцов каменной соли в сложном напряженном состоянии и в режиме

одноосного сжатия проводились на образцах, изготовленных из кернового

материала из скважины Зт Романовской площади Калининградской области с

глубины 900 — 1000 метров, а также из скважины Зт Россошинской площади

Волгоградской области с глубины 1050 - 1070 метров. Прочность при

одноосном сжатии и одноосном растяжении для образцов Романовской

площади составляет 20 и 1,9 МПа, для образцов Россошинской площади 19,1 и 1,6 МПа соответственно.

Эксперименты выполнялись на испытательной машине (прессе) Еи-100 с максимальной нагрузкой 100 тонн. Нагружение образца производилось в камере трехосного сжатия - БВ-21 (стабилометр) (рисунок 1), которая устанавливалась на опорные плиты пресса.

Эксперименты производились при двух различных методах измерения деформаций:

1. Измерение продольных деформаций по двум индикаторам часового типа ИЧ-50 (рисунок 1 (12)).

2. Измерение продольных деформаций образца как по индикаторам часового типа ИЧ-50, так и по тензорезисторным датчикам, аппликация которых происходит непосредственно на подготовленную поверхность образца.

Рисунок 1 - Общин вид камеры БВ-21 и образца подготовленного к опыту: 1 -крышка камеры; 2 - корпус камеры; 3 - нижняя плита пресса Еи-100; 4 - большой поршень; 5 - образец в гидроизоляционной оболочке; 6 -датчик поперечных деформаций образца; 7 - вентиль для нагнетания малосжимаемой жидкости; 8 -вентиль выпуска малосжимаемой жидкости; 9 - вентиль подачи рабочей жидкости (создание бокового давления); 10 - тензодинамометр; 11 - манометр Метран-55-ДИ; 12 -датчики продольных деформаций

Первый метод использовался для определения модуля деформации образцов каменной соли. Эксперименты проводились на цилиндрических образцах каменной соли с соотношением высоты к диаметру 2 /1 . Высота образцов составляла 70 мм, диаметр 35 мм, средняя плотность 2,17 г/см3. На одном и том же образце определялись модули деформации при одноосном нагружении Ед и в сложном напряженном состоянии Ед' с учетом корреляционных зависимостей между показателями деформаций датчиков, вынесенных за корпус камеры, и датчиками, находящимися непосредственно на поверхности испытуемого образца (таблица 1).

Таблица 1 — Модули деформации породных образцов каменной соли

№ образца Ед, МПа Ед', МПа

Эт67-1-с(3) 4099 12954

Зт86-1 11019 -

Зт91-1с(5) 6366 12187

Зт92-1-с(3) 8268 14288

Зт100-2-с(3) 12408 22906

Зт109-2-с(5) 11150 24566

3т122-3-с(3) 16831 26126

Едср, МПа 10020 18838

Среднее значение модуля деформации Е'дср больше Едср в 1,88 раза, т.е. на 88 %.

Второй метод был использован как эталонный для проверки правильности полученных результатов, а также для определения корреляционных зависимостей между показателями деформаций датчиков, вынесенных за корпус камеры, и датчиков, находящихся непосредственно на поверхности испытуемого образца. Необходимо было удостовериться в

правильности аппликации датчиков на образец и в правильности измерения как продольных, так и поперечных деформаций.

Проверка правильности получаемых данных происходила следующим образом. Тензорезисторы приклеивались на металлический образец с известными упругими характеристиками: модуль упругости 205000 МПа, коэффициент Пуассона 0,23. Нагружение образца производилось по схеме одноосного нагружения до 15 МПа, затем металлический образец сжимался гидростатическим давлением до 24 МПа и далее при начальном гидростатическом сжатии нагружался одноосной нагрузкой по абсолютной величине равной первоначальной. В результате было установлено, что полученные значения модуля упругости, а также коэффициента Пуассона не зависят от гидростатического сжатия (Е'у=204250 МПа, £>>=205810 МПа, V'=0,236, у=0,237) или какого-либо сочетании нагрузок, которые задавались в последующих экспериментах на образцах каменной соли. Несущественное различие определенных модулей является следствием гистерезиса датчиков и лежит в рамках погрешности измерения.

После опробования методики измерения деформаций по тензометрическим датчикам, приклеенным на образец и помещенным в камеру высокого давления, производились испытания на образцах каменной соли. Было испытанно 12 образцов каменной соли Россошинской площади Волгоградской области из скважины Зт.

Эксперименты проводились на цилиндрических образцах каменной соли с соотношением высоты к диаметру 2 /1 . Высота образцов составляла 80 мм, диаметр 40 мм, а средняя плотность 2,13 г/см3.

На образцах определялись только упругие характеристики, такие как модуль упругости и коэффициент Пуассона по методике, регламентированной ГОСТ 28985-91, а также при начальном гидростатическом сжатии. Результаты определения упругих характеристик в зависимости от бокового сжатия для испытанных образцов представлены в таблицах 2, 3.

№ образца Ст2=а3, МПа

0 5 10 15 20 24

56-1 28535 33232 34002 34328

(9 К 100 23101 31390 33192 33356

223-3 28976 31700 32969 33544 35184

м В и р 78-1 24608 25079 28356 29990 33580

84-2 27395 31391

а. 223-2 30794 33580 36167

112-1 29831 37554

112-2 29675 38004

о 2 200-2 26756 35861

217-1 32249 38622

223-1 34618

77-2 31460 38306

Еуср, МПа 28489 30558 32130 32621 33505 36789

СКО, МПа 2829 3157 2555 2312 129 1524

Коэффициент вариации, % 9,9 10,3 8,0 7,1 0,4 4,1

Таблица 3 — Зависимость коэффициента Пуассона от бокового сжатия

№ образца 02=03, МПа

0 5 10 15 20 24

& 56-1 0,212 0,234 0,233 0,240

га Я 100 0,229 0,256 0,261 0,270

и и 78-1 0,193 0,194 0,219 0,234 0,247

С 84-2 0,237 ОД'.О

н я 223-2 0,204 0,245 0,259

112-1 0,204 0,238

■е« 112-2 0,283 0,289

Г> ¡2 200-2 0,182 0,255

217-1 0,184 0,229

223-1 0,258

77-2 0,143 0,239

% 0,207 0,231 0,238 0,237 0,254 0,252

СКО 0,037 0,026 0,021 0,004 0,014 0,020

Коэффициент вариации, % 18,102 11,410 8,998 1,790 5,469 7,850

Известно, что релаксация напряжений на образцах каменной соли происходит тем интенсивнее, чем выше нагрузка, и составляет 4-15 минут при начальном уровне осевой нагрузки 21 МПа для испытанных образцов. Во всех экспериментах при начальном сжатии образцов наблюдалось падение давления, как осевого, так и бокового. В экспериментах на лабораторном оборудовании не применялись ресиверы для задания постоянного давления. Протечек рабочей жидкости не происходило, а также из системы откачивался воздух. Следовательно, падение давления было обусловлено непродолжительной во времени релаксацией напряжений. Участок времени, при котором происходит наиболее значимая часть релаксационных процессов для образцов, лежал в пределах 60 минут. Кривые релаксации напряжений приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 — Кривые релаксации напряжений для испытанных образцов Россошинской площади Волгоградской области.

На основании результатов анализа таблиц 1-3 следует вывод о влиянии объемного нагружения на деформационные свойства каменной соли. Установленная закономерность увеличения деформационных параметров объясняется тем, что, во-первых, в ходе нагружения образца гидростатическим давлением и последующей выдержки при заданном давлении происходит закрытие трещин и дефектов; во-вторых, в значительной степени сжимается поровое пространство. Так как каменная соль обладает системой закрытых пор, заполненных флюидом — "маточным" рассолом, то при отсутствии свободных

путей его движения повышаются деформационные параметры каменной соли: модуль деформации, модуль упругости и коэффициент Пуассона.

В результате проведенных исследований установлено, что увеличение модуля деформации в среднем составляет порядка 88%; модуля упругости - до 29%, коэффициента Пуассона - до 27% по сравнению со стандартными методами испытаний.

Исследования закономерностей влияния начального гидростатического сжатия полем напряжений, при котором породные образцы находились в массиве, на их прочностные свойства проводились на образцах, изготовленных из кернового материала из скважины Зт Романовской площади Калининградской области с глубины 900 - 1000 метров, из скважины Зт Россошинской площади Волгоградской области с глубины 1050 - 1170 метров, а также скважины 12э Мозырьского ПХГ с глубины 1180 -1300 метров.

При подготовке образцов к эксперименту не производилась аппликация тензорезисторов на сам образец. Продольные деформации измерялись по кольцевому тензометрическому датчику (рисунок 1 (б)). Нагружение образцов осуществлялось по двум различным схемам.

Первая схема нагружения соответствует ГОСТ 21153.8-88 и заключается в создании предварительного гидростатического сжатия до заданного бокового давления, а затем при поддержании постоянного бокового давления - нагружения образца осевым давлением. Схематически график нагружения и разрушения образца представлен на рисунке 3.

Вторая схема нагружения заключается в том, что образец обжимался гидростатическим давлением, т.е. со всех сторон - компонентами главных напряжений 01=а2=ст3 (рисунок 4, участок 1), где максимальное значение гидростатического сжатия определялось в соответствии с глубиной залегания породного образца. Далее образец выдерживался при гидростатическом сжатии в течение времени, при котором происходила стабилизация показаний датчиков, измеряющих нагрузки, т.е. времени, при котором происходит релаксация напряжений (рисунок 4, участок 2). Затем боковое давление понижалось на определенную величину (заданную в начале эксперимента) и поддерживалось постоянным, пока образец не разрушится. Осевая нагрузка на образце в этот же промежуток времени повышалась вплоть до разрушения (рисунок 4, участок 3).

Рисунок 4 - Последовательность нагружения образцов в эксперимента* при начальном гидростатическом сжатии по второй схеме нагружения

По результатам проведенных экспериментов строились паспорта прочности для каждой группы исследуемых образцов при каждой схеме нагружения. Для каждого паспорта прочности (огибающей предельных кругов Мора) выделялись характерные квазипрямолинейные участки, соответствующие определенным интервалам напряжений.

Построенные паспорта прочности образцов Россошинснкой площади, испытанных по двум схемам нагружения, представлены на рисунках 5-6, образцов Романовской площади - на рисунках 7-8.

МП;

12.5

"Ч с1 |

-5(0 |5 10

15 20

_12 8-251

а: МП»

Рисунок 5 - Предельные круги Мора и паспорт прочности, построенные по экспериментальным данным образцов скважины Зт Россошинской площади Волгоградской области, испытанных по первой схеме, регламентированной ГОСТ 21153.8-88, с выделенными прямолинейными участками, для которых определенны Си 9

V/ - \> \

/ ,

"у

1Л--'

14.9 //■

)у !

«Л/

„Я...

I о ;5

I* «о

10 ;■ 15 20 25

Рисунок 6 - Предельные круги Мора и паспорт прочности, построенные по экспериментальным данным образцов скважины Зт Россошинской площади Волгоградской области, испытанных но второй схеме приложения нагрузок (предварительное гидростатическое сжатие) с выделенными прямолинейными участками, для которых определенны Сир

экспериментальным данным образцов скважины Зт Романовской площади Калининградской области, испытанных по первой схеме, регламентированной ГОСТ 21153.8-88, с выделенными прямолинейными участками, для которых определенны С и

Ч>

Рисунок 8 — Предельные круги Мора и паспорт прочности, построенные по экспериментальным данным образцов скважины Зт Романовской площади Калининградской области, испытанных по второй схеме приложения нагрузок (предварительное гидростатическое сжатие) с выделенными прямолинейными участками, для которых определенны Си <р

В результате проведенных испытаний впервые определены количественные значения прочностных характеристик породных образцов каменной соли, полученные при начальном гидростатическом сжатии, соответствующем глубине залегания породных образцов: объемная прочность образцов скважины 12э Мозырьского ПХГ возросла на 30%, Россошинской площади скважины Зт - на 7%, Романовской площади скважины Зт - на 9,2%.

Приведенная в статье В.Г. Хлопцова и И.В. Баклашова расчетная схема в снимаемых или дополнительных напряжениях была применена к условиям проведения эксперимента по второй схеме для пересчета прочностных параметров, полученных на образцах, к прочности в массиве. Начальное гидростатическое сжатие породных образцов давлением, равным глубине их залегания, рассматривалось как фоновое по отношения к дальнейшему нагружению, т.е. дополнительным нагрузкам, приводящим к деформированию и разрушению породных образцов. При этом дополнительные вертикальные нагрузки вдоль оси, которые повышаются в эксперименте, принимались положительными, а боковые нагрузки, которые понижаются - отрицательными.

Для расчетов использованы данные, полученные по Россошинской площади скважины Зт. Паспорт прочности, построенный по пересчитанным значениям принимает вид, представленный на рисунке 9 (левый). На данном рисунке также представлен паспорт прочности, построенный по данным определения объемной прочности по первой схеме нагружения (правый).

Результаты пересчета прочностных параметров образцов по паспорту прочности, построенному по результатам стандартного метода определения объемной прочности (с = 15,5МПа, р = 60°), в прочностные параметры массива (с? = 50МПа, р = 60°) практически соответствуют значениям, полученным при обработке экспериментальных данных второй схемы нагружения = 53 МПа, р = 60°).

Рисунок 9 - Паспорта прочности Волгоградских образцов из скважины Зт Россошинской площади: левый - построенный с учетом снимаемых нагрузок по данным объемной прочности второй схемы нагружения; правый — построенный по данным объемной прочности первой схемы нагружения

Таким образом, приведенные результаты лабораторных экспериментов, выполненных при различных схемах нагружения цельных породных образцов, наглядно свидетельствуют о влиянии характера нагружения, а именно предварительного нагружения образцов, на прочностные характеристики соляных пород. Результаты экспериментов на предварительно нагруженных породных образцах подтверждают также обоснованность применения расчетной схемы в снимаемых напряжениях для количественной оценки прочностных характеристик горных пород в массиве.

Результаты экспериментов объемной прочности были использованы для определения длительной прочности, как основной характеристики реологических свойств каменной соли.

Традиционный метод определения реологических свойств каменной соли

в испытаниях на ползучесть является наиболее достоверным

экспериментальным методом, объективно отражающим связь напряжений,

деформаций и времени. Однако продолжительность, трудоёмкость и большое

количество опытов при проведении экспериментов этим методом значительно

снижают его эффективность. При ограниченном количестве образцов и

времени на проведение экспериментов целесообразно использовать метод, основанный на определении максимального уплотнения образца и соответствующей нагрузки при этом. За предел длительной прочности будем принимать напряжения, при которых достигается максимальное значение объемных деформаций образца.

По результатам экспериментов были построены диаграммы деформирования всех испытанных образцов в координатах ((ст1-с3); где Еу -объемные деформации, определяемые по формуле Еу= £1 + 2е3. По графикам для всех образцов определено максимальное уплотнение и соответствующие значения осевых Ст] и боковых и2 = сгз напряжений при этом. За предел длительной прочности принимается интенсивность касательных напряжений сг,00 (МПа), определяемая из выражения

сг,=а-(72) +(сг2-сгз) +(0-3-0-1) •

Результаты определений О™ для образцов Россошинской площади приведены в таблицах 4 и 5, а для Романовской площади - в таблицах 6 и 7.

Таблица 4 — Предел длительной прочности образцов Россошинской площади, испытанных по первой схеме нагружения __

Номер образца а,, МПа П; ст,, МПа ст,, МПа А , МПа аГ, МПа

221-1 23,2

23-2 21,6 2 21,6 1,7 7,6 п,з

10-2 19,9

16-1 30

18-2 24

96 24

107-1 14,3 4 24,0 4,6 19,3 11,6

120 23,3

129 25

71-1 23,3

77-1 28,3

10-1 27,8

22 30

25 29,7

95 32 28,7 4,6 16,2 13,1

128-1 25,4

181-2 20,4

73-1 36,2

76-2 28

Таблица 5 - Предел длительной прочности образцов Россошинской

Номер образц а МПа (7,. МП а А, МП а У,% о2-Сз, МПа о-,=<тэ. МПа А, МПа У,% О/", МПа

225-1с 39,9 10,4

77-2с 45 12

213-3с 33,1 13,2

225-2с 36,9 10,3

28-Зс 47,3 6,9

33-1с 36,4 12

108-с 32,5 13,5

152-с 33,2 12,8

153-с 30,5 14,6

74-е 32,3 19,8

198-с 40,7 9,8

199-1с 28,8 38,1 6,2 16,0 15,3 11,6 1,5 12,9 15,3

201-е 40,8 9,8

11 44,6 6,6

28-2с 47 6,9

68-е 37,4 12,9

157-е 35 12,7

170-е 37,7 11,4

180-1е 33,6 12,5

204-е 36 12,2

217-2е 32,1 14,4

220-1 с 52,9 7,8

223-1с 41,3 12,7

Таблица 6 - Предел длительной прочности образцов Романовской площади, испытанных по первой схеме нагружения

Номер образца (ТьМПа МПа сг,, МПа Д МПа V,% 0} , МПа

50-4 19,7 1

59-2 23,3 1 22,3 2,3 10,3 12,3

91-2 24 1

99-1 23 3

114-4 22 3 28,2 5,3 18,9 13,9

131-1 36,7 3

20-3 29,8 5

49-1 28,6 5 29,9 1,5 4,9 14,5

116-3 29,2 5

Таблица 7 — Предел длительной прочности образцов Романовской площади, испытанных по второй схеме нагружения ____

Номер образца а,, МПа О и МПа А , МПа Г,% 02=03, МПа МПа д, МПа аГ, МПа

18-2 32 3,8

22-3 30,8 4

76-1 31 4

92-1 35,7 4

100-2 46 35,7 5,9 16,7 6 4,6 0,9 19,7 17,9

122-3 31,2 4

150-1 31 4

91-1 45,4 6

197-4 40 5,5

109-2 34 5,7

Как видно из таблиц 4-7, коэффициент вариации для значений осевой и боковой нагрузки не превышает 20%, что говорит о корректной выборке образцов.

Далее результаты испытаний образцов по первой схеме нагружения были пересчитаны с учетом суммы главных напряжений, соответствующей их глубине залегания. В результате для образцов Россошинской площади определен, что ст," = 11,5 МПа, т.е. предел длительной прочности образцов, испытанных по второй схеме нагружения (<т,т/ = 15,3 МПа), больше на 33%. Соответственно, для образцов Романовской площади предел длительной прочности, соответствующий нагружению по первой схеме, аГ - 12,6 МПа, т.е. предел длительной прочности породных образцов, испытанных по второй схеме нагружения (сг,'/= 16 МПа), будет на 27% больше.

Далее производилась оценка возможного уменьшения давления буферного газа ртт с использованием выражения для интенсивности

касательных напряжений на контуре сферической выработки ст, Ртт) и

ограничением их интенсивностью касательных напряжений, соответствующих

пределу длительной прочности при использовании данных, определенных на

образцах по первой <т/° и второй о;"7 схеме нагружения. Для расчетов

использованны данные, полученные по скважине Зт Россошинской площади

Волгоградской области, имеющие наименьший коэффициент вариации.

В итоге получаем: 2

Ршт = ' где ^ = У = 0,022 МПа/м; Н - глубина заложения

кровли выработки, м. Соответственно, при использовании данных а" по первой схеме нагружения

Ал = ? - -^ff," = 0. «22 * 1050 -1,1547 * 11,5 = 9,8 МПа,

при использовании данных ai' по второй схеме нагружения

А™ = 9 - = 0,022 * 1050 -1,1547 * 15,3 = 5,5 МПа.

По результатам выполненных расчетов видно, что минимальное давление буферного газа, определенное по данным второй схемы нагружения, меньше на 44 %.

Таким образом, обобщая результаты диссертационного исследования, разработан и научно обоснован метод определения механических свойств каменной соли с учетом начального поля напряжений. Суть метода заключается в следующем. Образец обжимается гидростатическим давлением, т.е. со всех сторон компонентами главных напряжений а1=а2=Сз. Задается то давление, при котором породный образец находился в массиве до его извлечения и изготовления, т.е. ü\=a2=o3=yH. Далее образец выстаивается при гидростатическом сжатии в течение времени, при котором происходит стабилизация показаний датчиков, измеряющих нагрузки, т.е. происходит релаксация напряжений, что соответствует 60 минутам. На следующем этапе в зависимости от условий решаемой задачи и соответствующего перераспределения напряжений при производстве горных работ определяют деформационные, прочностные или реологические характеристики исследуемых образцов в объемном напряженном состоянии с учетом влияния начального поля напряжений в нетронутом породном массиве.

Заключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода определения механических свойств каменной соли с учетом начального поля напряжений, что позволяет повысить их достоверность, а также представляющей существенное значение для дальнейшего развития методов экспериментального определения механических свойств горных пород.

Основные научные результаты и практические выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обоснован метод определения модуля упругости, модуля деформации, коэффициента Пуассона, объемной прочности и предела длительной прочности породных образцов каменной соли с учетом предварительного всестороннего сжатия давлением, соответствующим начальному полю напряжений в породном массиве.

2. Экспериментально установлена закономерность влияния объемных деформаций сжатия каменной соли под воздействием начального гидростатического поля напряжений, наблюдаемого в соляном массиве: при дальнейшем нагружении осевой нагрузкой, не доходящей до критического значения разрушения, образцы деформируются в зоне уплотнения, что приводит к увеличению деформационных характеристик.

3. Впервые получены количественные значения деформационных характеристик породных образцов каменной соли с объектов строящихся подземных хранилищ газа России и Белоруссии с учетом предварительного нагружения полем начальных напряжений: при этом значение модуля деформации возросло на 88 %; значение модуля упругости - на 29%; коэффициента Пуассона - на 27% по сравнению со стандартными методами испытаний.

4. Впервые определены количественные значения прочностных характеристик породных образцов каменной соли, полученные при начальном гидростатическом сжатии, соответствующем глубине залегания породных образцов: объемная прочность возрастает до 30% по сравнению со значениями при стандартных методах испытаний.

5. Обоснована возможность использования данных экспериментов, производимых при быстром нагружении с учетом начального гидростатического сжатия образцов, при расчете предела длительной прочности.

6. Впервые получены количественные значения предела длительной прочности при начальном гидростатическом сжатии породных образцов, соответствующих условиям залегания, которые на 30 % больше, чем при стандартном методе испытаний.

7. Установлено, что использование предела длительной прочности, полученного по результатам экспериментов с учетом начального гидростатического сжатия, позволяет уменьшить давление буферного газа до 44 %.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. М.Н. Тавостин, А.Е. Кошелев. Оценка влияния вида объемного напряженного состояния на механические свойства каменной соли// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - №11. - С. 130- 135.

2. В.Г. Хлопцов, Ю.А. Цыплухина, А.Е. Кошелев. Экспериментальное обоснование применения расчетной схемы в снимаемых напряжениях для решения геомеханических задач// Горный информационно-аналитический бюллетень.-2010.-№.4-С. 311-318.

3. А.Е. Кошелев. Экспериментальное определение модуля деформации каменной соли в сложном напряженном состоянии// Горный журнал. -2012. -№ 9. -С. 56-58

4. А.Е. Кошелев. Оценка влияния вида объемного напряженного состояния на механические свойства соли// Рабочие материалы международного форума-конкурса молодых ученых «Проблемы недропользования» Санкт-Петербург, Россия 22-24 апреля 2009г./ Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет). - СПб 2009. - С. 62.

Подписано в печать 23.04.2013 Объем 1 печ. л.

Формат 60x90/16 Тираж 100 экз._Заказ № 1679

Отдел печати Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кошелев, Александр Евгеньевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Московский государственный горный университет»

На правах рукописи

04201357027

Кошелев Александр Евгеньевич

Специальность 25.00.20 -«Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Баклашов И.В.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ СОЛИ В СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...........................8

1.1 Геологическое строение и условия пригодности месторождений каменной соли для сооружения подземных резервуаров.....................................................8

1.2. Общие сведения о деформационных, прочностных и реологических свойствах каменной соли, определяемых в лабораторных условиях..............12

1.2.1 Деформационные свойства.........................................................................12

1.2.2 Прочностные свойства................................................................................15

1.2.3 Реологические свойства..............................................................................23

1.3 Анализ напряженно-деформированного состояния однородного изотропного массива горных пород вокруг сферической незакрепленной выработки...............................................................................................................28

1.4 Анализ исследований по оценке влияния начального поля напряжений в массиве на механические свойства соляных пород..........................................31

1.5 Выводы по главе и постановка задачи исследований.................................34

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОРОДНЫХ ОБРАЗЦОВ КАМЕННОЙ СОЛИ, НАХОДЯЩИХСЯ В НАЧАЛЬНОМ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ..................37

2.1 Описание лабораторного оборудования для проведения испытаний.......39

2.2 Подготовка образцов к испытаниям.............................................................45

2.3 Подготовка измерительного оборудования к экспериментам...................48

2.4 Методика проведения испытаний.................................................................51

2.5 Обработка полученных экспериментальных данных.................................59

2.6 Определение оптимального времени нахождения породного образца в начальном гидростатическом поле напряжений...............................................73

2.7 Анализ полученных результатов...................................................................75

2.8 Выводы по главе..............................................................................................80

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОДНЫХ ОБРАЗЦОВ КАМЕННОЙ СОЛИ, НАХОДЯЩИХСЯ В НАЧАЛЬНОМ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ.....................82

3.1 Методика проведения испытаний.................................................................84

3.2 Обработка данных, полученных при объемном сжатии методом быстрого нагружения.............................................................................................................89

3.2.1 Построение паспортов прочности по данным определения пределов прочности при объемном сжатии по двум схемам приложения нагрузок......99

3.2.2 Определение сцепления и угла внутреннего трения..............................103

3.3 Анализ полученных результатов.................................................................110

3.4 Выводы по главе............................................................................................117

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ С УЧЕТОМ НАЧАЛЬНОГО ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ БУФЕРНОГО ГАЗА..........119

4.1 Обоснование метода определения предела длительной прочности........119

4.2 Определение предела длительной прочности по двум схемам нагружения породных образцов при сложном напряженном состоянии...........................120

4.3 Анализ полученных результатов.................................................................126

4.4 Оценка возможного уменьшения давления буферного газа....................131

4.5 Выводы по главе............................................................................................133

Заключение..............................................................................................................134

Список использованных источников....................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Результаты расчетов устойчивости подземных резервуаров с использованием физико-механических свойств каменной соли, определенных

экспериментальным путем с учетом истории нагружения соляного массива, могут существенным образом повлиять на эксплуатационные параметры ПХГ, в том числе и на давление буферного газа. Следовательно, корректное и точное определение свойств соляных пород представляет одну из первоочередных задач при создании и эксплуатации подземных хранилищ газа.

Научные положения, выносимые на защиту:

-экспериментально установлена закономерность деформирования и разрушения каменной соли с учетом начального гидростатического поля

напряжений, исследованная на породных образцах с объектов строящихся подземных хранилищ газа России и Белоруссии: значение модуля деформации возрастает до 90 %; значение модуля упругости - до 30%; коэффициента Пуассона - до 30%; значение объемной прочности - до 30%; значение предела длительной прочности - до 30 % по сравнению со стандартными методами испытаний;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ СОЛИ В СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Геологическое строение и условия пригодности месторождений каменной соли для сооружения подземных резервуаров

Соляные породы широко распространены на территории России. Возраст их различен: от кембрия до неогена. Глубина залегания колеблется от 250 до 2500 метров. Некоторые соленосные бассейны, такие как Прикаспийский, Волго-Уральский, расположены в крупных депрессиях, поэтому для них характерны довольно большие мощности соли: от нескольких сотен метров до одного километра.

Каменная соль является осадочной горной породой, образование которой происходило в процессе осадконакопления. Современное состояние соляных пород обусловливается галокинезом - перемещением соляных масс вследствие реологических свойств соляных пород. Главным породообразующим минералом каменной соли является галит (ЫаС1). В качестве примесей в каменной соли могут быть хлоридные соли, ангидриты, карбонаты, глинистое вещество, жидкие и газообразные включения. Жидкая фаза представлена преимущественно рассолами, близкими по составу к рапе соленосного бассейна, либо изменёнными процессами метаморфизации. Часто жидкие включения представлены производными нефти. Газы, находящиеся в межкристальном пространстве, могут иметь различное происхождение. Флюиды, находящиеся в закрытых порах, как правило, представлены маточным рассолом.

Месторождения солей по условиям залегания подразделяются на следующие типы: пластовые, линзообразные, купольные и штоковые [1]

(рисунок 1.1). Для пластовых месторождений характерно горизонтальное или слабонаклонное залегание соли.

Рисунок 1 - Характерные формы залегания месторождений каменной соли: 1 - пластовое; 2 - линзообразное; 3 - купальное; 4 - штоковое.

Купольные и штоковые месторождения каменной соли представляют собой гигантских размеров и большой высоты колонны, столбы и конусообразные тела, вытянутые из недр Земли. Образование этих месторождений связано с тектоническими подвижками и пластичностью соляных пород. Соляные массы в куполах и штоках сильно перемяты - пласты переходят от горизонтальных до крутопадающих. Ядра куполов сложены почти из чистой соли при содержании нерастворимого остатка не более 2-3%. Такие месторождения могут иметь достаточно близкий выход к Земной поверхности.

Вследствие постоянного химического состава каменной соли, одной из определяющих ее характеристик являются структурно-текстурные особенности, которые тесно связаны с различными этапами образования. Поскольку происхождение каменной соли даже в пределах одного месторождения может быть различным, соответственно физико-механические

свойства каменной соли значительно отличаются. Исследованию физико-механических свойств каменной соли в зависимости от структурно-текстурных особенностей посвящены работы Панюкова П.Н., Журавлевой Т.Ю., Жаркова М.А. и др. [2,3,4,5]. Многочисленные исследования структурно-текстурных особенностей каменной соли как пластовых, так и купольных соляных залежей, позволили выделить десять ее основных литолого-генетических разновидностей с практически идентичным минеральным составом и с одинаковым содержанием нерастворимых примесей [2].

Основными критериями пригодности месторождения каменной соли для сооружения подземных хранилищ углеводородов являются мощность, конфигурация соляного тела и глубина заложения, позволяющие создавать достаточный объем резервуара [6]. Современная технология допускает создавать подземные резервуары на глубинах до 2000 м.

Подземные резервуары в соляных отложениях создаются методом выщелачивания и являются капитальными сооружениями, рассчитанными на длительную эксплуатацию. Вопросам технологии сооружения и эксплуатации подземных резервуаров, создаваемых методом выщелачивания каменной соли через буровые скважины, посвящен ряд фундаментальных работ Гофмона-Захарова П.Н., Смирнова В.И., Иванцова О.М. и др. [7,8,9,10]. В этих работах отражены основные научные и технические положения, связанные с этой технологией.

К инженерно-геологическим условиям размещения подземных резервуаров предъявляются следующие требования:

- глубина заложения подземных резервуаров от 60 до 1500 м;

- минимально допустимая мощность соли - 25 м;

- наличие практически непроницаемых и устойчивых пород в кровле (не менее 20 м) и подошве соли;

- непроницаемость соляной залежи для предназначенного к хранению продукта в интервале глубин заложения выработок подземных резервуаров;

- мощность нерастворимых прослоев не более 2,5 м;

- содержание рассеянных нерастворимых включений не более 20%;

- отсутствие калийных, магниевых и других солей, растворяющихся в концентрированных хлоридно-натриевых рассолах;

- недопустимость сооружения подземных хранилищ на участках развития физико-геологических процессов (карсты, оползни, сели и др.), а также в зонах региональных глубинных разломов с развитием неотектонических явлений.

Выбор схем и способов сооружения подземных хранилищ зависит от структурных особенностей соляного массива, условий его залегания, физико-химических свойств каменной соли, содержания и характера распределения в нем нерастворимых включений.

Деформации соляных пород вокруг горных выработок (подземных резервуаров) при обычных глубинах залегания нельзя предотвратить; однако путем соответствующего выбора геометрических параметров резервуаров, а так же давления хранимого в них продукта, эти деформации можно ограничить в допустим

Информация о работе

Кошелев, Александр Евгеньевич
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.20

Диссертация

Обоснование и разработка метода определения механических свойств каменной соли с учетом начального поля напряжений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы