Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров камер подземного растворения на месторождениях каменной соли

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кубланов, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ КАМЕР ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ.

1.2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН.

1.3. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

1.4. ПРОБЛЕМЫ ДОБЫЧИ СОЛЕЙ ИЗ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ КАМЕР С ПОМОЩЬЮ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2. ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАМЕР СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ СОЛЕЙ СПОСОБОМ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ.

2.1. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.2. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ "КАМЕРА - ЦЕЛИК"

НА ЭКВИВАЛЕНТНОМ МАТЕРИАЛЕ.

2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БЕЗРАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ НА ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ МОДЕЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ КАМЕННОЙ СОЛИ.

2.4. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО КОСВЕННОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ И ДАННЫХ МАРКШЕЙДЕРСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ.

2.5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ КАМЕННОСОЛЯНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ СПОСОБОМ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ.

2.6. ОЦЕНКА ПРОГНОЗНЫХ МАКСИМАЛЬНЫХ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДОБЫЧИ ХЛОРИДНО-НАТРИЕВЫХ РАССОЛОВ ИЗ ОДИНОЧНЫХ СКВАЖИН.

3.1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА БАЗОВОЙ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ МОДЕЛИ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.

3.2. СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ЭВОЛЮЦИИ КАМЕРЫ.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ И КАМЕР РАСТВОРЕНИЯ.

4.2. ТРЕБОВАНИЯ К УПРАВЛЕНИЮ И КОНТРОЛЮ ЗА ПРОЦЕССОМ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ

4.3. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ДЛЯ УСЛОВИЙ НОВОМОСКОВСКОГО РАССОЛОПРОМЫСЛА.

4.4. ВЫБОР И ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОЛУЧЕНИЯ РАССОЛОВ.

4.5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ НОВЫХ И УЖЕ СОЗДАННЫХ КАМЕР РАСТВОРЕНИЯ.

4.6. ПРИМЕР РАСЧЕТА ОЖИДАЕМЫХ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров камер подземного растворения на месторождениях каменной соли"

Актуальность темы.

Метод подземного растворения солей через буровые скважины с поверхности земли получил широкое распространение во всем мире. В последнее десятилетие глубина разработки солей способом подземного растворения увеличилась до 2500 м.

Камеры растворения в отложениях каменной соли могут быть использованы в качестве резервуаров для хранения газа, нефти и продуктов их переработки. К основным особенностям подземных резервуаров относятся значительная глубина заложения, большой объем и сложная форма контура камер.

Обеспечение длительной устойчивости подземных резервуаров в соляных отложениях при их строительстве и эксплуатации осложняется особенностями механического поведения каменной соли, склонной к проявлению реологических свойств, в зависимости от вида напряженного состояния и величин действзтоших в приконтурном массиве напряжений. Невозможность визуального слежения за технологическим процессом растворения, сложности геологического строения ряда месторождений, значительные глубины разработки вызывают необходимость создания методов прогноза геомеханических и технологических параметров камер и процессов растворения каменных солей на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования выработок.

Цель работы заключается в научном обосновании параметров камер подземного растворения каменной соли на стадиях подготовительного и эксплуатационного размыва с учетом последующего использования отработанных камер в качестве подземных хранилищ углеводородного сырья и отходов производства.

Основная идея заключается в выборе взаимосогласованных геомеханических и технологических параметров камер подземного растворения каменной соли.

В соответствии с поставленной целью основными задачами являлись: • исследовать закономерности деформирования и разработать критерии оценки устойчивости конструктивных элементов камер подземного растворения в конкретных горногеологических условиях, обеспечивающих безаварийность работы скважин на стадиях строительства, эксплуатации и вторичного использования горных выработок;

• разработать двумерную физико-математическую модель процессов формообразования по заданным геомеханическим параметрам с оптимизацией выбора технологических схем растворения на разных стадиях отработки;

• разработать методики расчета конструктивных элементов системы разработки и технологических параметров с обоснованием рациональных технологических схем отработки каменных солей индивидуальными камерами растворения с учетом допустимых оседаний земной поверхности и критериев устойчивости конструктивных элементов;

• разработать взаимоувязанные геомеханические и технологические рекомендации для индивидуальных камер растворения на этапах подготовки, эксплуатации и возможности их вторичного использования в качестве хранилищ.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных источниках; лабораторные и натурные эксперименты; математическое моделирование процесса растворения каменной соли; опытно-промышленные испытания предложенных разработок.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Деформирование системы «камера-целик» при подземном растворении солей индивидуальными камерами протекает в три стадии (упруго-пластическое деформирование течение деформационное упрочнение), при этом деформирование междукамерных целиков происходит без снижения их несущей способности.

2. Процесс растворения каменной соли с образованием подземных камер описывается физико-математической моделью, представляющей собой решение системы уравнений гидродинамики двухфазных сред (уравнение Навье-Стокса), диффузии и теплопроводности, а также уравнение движения стенки целика.

3. Технологические параметры процесса растворения зависят от устойчивости отдельных конструктивных элементов камер и определяются численным методом с помощью разработанной программы «РАЗМЫВ».

Научная новизна работы:

• установлено, что при формировании камер подземного растворения в качестве критерия устойчивости для ствола скважины используются деформации вдоль оси скважины, для кровли камер - максимальные растягивающие деформации в угловых зонах кровли, для целиков - эффективные напряжения. Выбор допустимого размера кровли камер на стадиях подготовки, эксплуатации и вторичного использования в качестве хранилищ, осуществляют по разработанным диаграммам устойчивости «8» и «К», а размер междукамерного целика определяют по степени его нагруженности и фильтрационному фактору с учетом допустимых оседаний земной поверхности;

• разработана двумерная нестационарная модель процессов формообразования камер с возможностью прогнозирования развития камер во времени и пространстве и оптимизации различных вариантов размыва полостей, а также внесения необходимых изменений в технологические операции для исправления формы действующих камер в диалоговом режиме;

• разработана методика расчета параметров системы разработки с учетом допустимых оседаний земной поверхности в условиях полной и неполной подработки, а также методика расчета процесса эволюции камер растворения, по заданным геомеханическим параметрам с использованием программного комплекса «РАЗМЫВ», в котором интегрируются уравнения гидродинамики двухфазных сред.

Практическая ценность работы заключается в разработке:

• методики расчета геомеханических параметров индивидуальных камер и системы разработки рассолопромыслов;

• методики прогноза технологических параметров камер растворения каменной соли;

• программы РАЗМЫВ для прогноза процесса растворения каменной соли на стадиях подготовки и эксплуатационного размыва.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в постановке задач исследования, проведении лабораторных и натурных исследований, разработке математической модели растворения, методики расчета геомеханических и технологических параметров камер растворения каменных солей и практическом использовании результатов исследований.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается: использованием современных математических и физических моделей для описания процесса растворения каменных солей; 6

- использованием современных методов лабораторных и натурных исследований и компьютерного моделирования процесса растворения солей;

- положительным опытом использования результатов исследования при подземном растворении каменных солей.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на международных и российских симпозиумах и конференциях:

1995г. - г.Саранск («Методы и средства управления технологическими процессами»); 1996г. - г. Санкт-Петербург («Интеллектуальные системы» Второй международный симпозиум «Интеле- 96»);

1997г. - Эль-Пассо (США), Краков (Польша); 1998 - Рим (Италия); 2001г. - Орландо (США) (конференции проводимые Международным институтом подземного растворения 8МК1);

2000г. - Гаага (Нидерланды)(8-й Международный соляной конгресс).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована монография и более 30 научных работ.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 145 страниц машинописного текста, в том числе 50 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 51 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Кубланов, Александр Владимирович

Заключение в диссертации изложены научно-обоснованные технические и технологические разработки, обеспечивающие безаварийную работу скважин подземного растворения в различных горно-геологических условиях на этапах подготовки, эксплуатации и вторичного использования в качестве хранилищ. В работе содержится регпение задачи по обоснованию параметров камер подземного растворения каменной соли. Наиболее важные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Выявлены закономерности деформирования целиков и камер в зависимости от геотехнологических параметров системы разработки каменной соли способом растворения. Экспериментально установлено, что деформирование системы имеет три характерные области:

- упруго-пластичесого деформирования;

- течения;

- деформационного упрочения.

Деформирование междукамерных целиков при разработке каменной соли системой индивидуальных камер происходит без снижения их несупАеЬ'на всех стадиях нагружения. С увеличением соотношения диаметра камеры и стороны сетки бурения скважин вертикальные деформации целиков возрастают.

2. Предложены и обоснованы методы расчета конструктивных элементов и геотехнологических параметров системы разработки каменной соли методом подземного растворения.

Для оценки устойчивости ствола скважины в качестве параметра предложено использовать деформации вдоль её оси, для кровли камер - максимальные растягивающие деформации в угловых зонах кровли, для целиков - эффективные напряжения. Для выбора параметров ствола и кровли предложены диаграммы устойчивости "8" и "К" построенные на основании расчетов.

Размеры междукамрных целиков определяются по степени их нагруженности и фильтрационному фактору с учетом осадок земной поверхности.

3. Предложена и обоснована физико-математическая модель процесса растворения каменной соли с образованием и последующим использованием подземных камер, включающая уравнения движения вязкого раствора, уравнение непрерывности, уравнение диффузии и теплопроводности, уравнение развития поверхности фазового перехода «пласт -раствор», закон сохранения на этой поверхности нормальных составляющих материаль

142 ных потоков, функциональную зависимость плотности многокомпонентных растворов от концентрации компонент и температуры, граничные и начальные условия.

4. Выбор технологической схемы разработки и её параметров должен основываться на результатах предложенной физико-математической модели процесса растворения камер. В зависимости от геологических условий могут применяться следующие варианты камерной системы:

- с размещением камер в пределах всей мощности разрабатываемой толщи - при отработке залежей однородного строения;

- соосное размещение камер с оставлением междукамерных потолочин - при отработке залежей, представленных чередованием пластов соли и несолевых пород;

- погоризонтальное размещение камер при отработке соляных штоков и куполов.

5. Разработана методика расчета процесса эволюции камер растворения, основанная на физико-математической модели. Методика расчета реализована на ПЭВМ с использованием численных методов в виде программы РАЗМЫВ, в которой интегрируются уравнения гидродинамики двухфазных сред с учетом явлений диффузии и теплопереноса.

6. Методы расчета геомеханических и геотехнологических параметров использованы для оптимизации системы разработки и технологических схем получения рассолов на рассо-лопромыслах.

Результаты исследований использованы и внедрены на Новомосковском рассолопро-мысле, Братском ЦКК, Волгоградском ОАО «Каустик», Серёговском (Республика Коми) и Иреляхском (Республика Саха) рассолопромыслах и ряде других, а также использованы в утвержденной Госгортехнадзором России (постановление от 26.11.98, №68) «Инструкции по безопасному ведению работ и охране недр при разработке месторождений солей растворением через скважины с поверхности», (РД 03-243-98, ТОО «Стресс», ОАО ВНИИГ, 1998 г.).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кубланов, Александр Владимирович, Санкт-Петербург

1. Пермяков Р. С, Романов B.C., Бельды М. П. Технология добычи соли. М.: Недра, 1981.

2. Кулле П. А. Строительство скважин с гидроврубом / Труды ВНИИГ, 1955. Вып. 30. С. 3-49.

3. Кулле П. А. Разработка месторождений соли подземным выщелачиванием / Труды ВНИИГ. 1949. Вып. 20.

4. Кулле П. А. Способ добычи рассолов из буровых скважин. А. с. 77733 (СССР). Б. И. 1949.

5. Разработка соляных месторождений методом выщелачивания: Труды ВНИИГ. 1972. Вып. 62.

6. Патрунова Л. Н., Романов В. С, Каратыгин Е. П. и др. Способ подземного растворения мощных соляных залежей. А. с. 1113521 (СССР). Б. И. 1984. №34.

7. Стаматиу М. Расчет целиков на соляных рудниках. М.: Госгортехиздат, 1963.

8. Долгих М. Д., Матвиенко В. В., Хачатурян И. С. Оценка прочности камер выщелачивания в отложениях каменной соли. М. ВНИИСТ, 1962. Вып. 2.

9. Кислер Л. Н., Крюкова Н. М., Мазуров В. А. Об оценке прочности емкостей различной формы в соляных отложениях. М. ВНИИпромгаз. 1971. Вып. 5.

10. Романов В. С. Определение радиуса камер выщелачивания при разработке соляных залежей через буровые скважины / Труды ВНИИГ. 1967. Вып. 53. С. 164-187.

11. П.Черников А. К, Романов В. С. Методические указания по расчету оптимальных геометрических параметров целиков и камер при разработке калийных солей подземным выщелачиванием. Л. ВНИИГ и ЛГИ, 1984.

12. Holst К., Menzel W., Schreiner W., Weber D. Ergebnisse geomechanischer Untersuchungen bei der Gasspeicherung in Salzkavernen // Neue Bergbautechnik. 1982. H. 7.

13. Шафаренко E. M. Длительная устойчивость подземных горных выработок в отложениях каменной соли. Автореф. дис. д-ра техн. наук Новосибирск, 1985. 32 с.

14. Смирнов В. И. Обоснование и разработка способов и технологий строительства подземных сооружений для хранения газонефтепродукгов и захоронения промышленных отходов. Автореф. дис. д-ра техн. наук М. 1995. 46 с.

15. Резуненко В. И. Обоснование параметров технологии сооружения тоннельных резервуаров в маломощных пластах каменной соли. Автореф. дис. канд. техн. наук М. 1998. 19 с.

16. Косаревский А. Н., Резников В. А., Студенцов А. Ф., Школьников Д. Д. О моделировании процесса подземного растворения. / Труды ВНИИГ Вопросы технологии рассолодобычи через скважины с поверхности. Л. 1990.

17. Шахов Ю. Д., Бельды М. П. Некоторые вопросы теории и практики галургического производства / Труды ВНИИГ. №55. Л. 1971.

18. Фурман Д. Д., Бельды М. П., Соколов И. Д. Поваренная соль Производство и применение в химической промышленности. М.: Химия. 1989.

19. Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки. Тезисы докладов Всесоюзной конференции ВНИИЭ Газпром. М. 1991.

20. Y. Charnavel, D. Leca, F, Ponlain. Advenced Geometrical Modeling of Salt Dissolution during Cavern Leaching. Illustration with a Case study. Gaz de France, presented in Las Vegas, Nevada, USA, spring meeting, SMRI, 1999.

21. A. Kunstman, K. Urbanczyk. The New URBO version. Presented at the SMRI, Fall Meeting, Hannover, Germany, 1994.

22. Кирпичёв В. Л. Сопротивление материалов, Пг. 1916г.

23. ВагЬа/ Mem. de la Soc. Ing. Civ., Paris, 1880, p. 682.

24. Fr. Kick. Das Gesetz die proportionalen Wiederstande. Leipzig, 1885.

25. Г. Н. Кузнецов. Механические свойства горных пород. М., Углетехиздат, 1947, с. 17.

26. В. А. Симонов, автореферат диссертации на соискание к.т.н.

27. М. И. Койфман. Главный масштабный эффект в горных породах и углях. Сб. Проблемы механизации горных работ. Изд. АН СССР, 1963.

28. А. И. Мусин, Н. П. Ерофеев. К вопросу влияния трещинной тектоники на прочность пород Мир-галимайского рудника. Тр. ИГД АН Каз. ССР, т. 11, 1963.

29. Dreyer W. Uber die Bruchfestigkeit mono und polikristallinen Gesteines in Abhangigkeit von PrQfkofform, Belastungsqeschwindigkeit und Art Einspannung. Bergbauwissenschaft, 1957.

30. H. M. Проскуряков, P. С. Пермяков, А. К. Черников. Физико-механические свойства соляных пород. Л., Недра, 1973, с. 48-91.

31. Ж. С. Ержанов, В. Менцель, В. и1райнер и др. Основы расчёта напряженного состояния полостей газохранилищ в соляных отложениях. Наука, Алма-Ата, 1978, с. 47-57.

32. А. Г. Назаров. О механическом подобии твердых деформируемых тел. Ереван, 1965.

33. Г. Н. Кузнецов и др. Моделирование проявлений горного давления. Л., 1968, с. 83.

34. А. с. №1270330, МКИ Е 21 С 39/00. Способ определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования и устройство для его осуществления. А. В. Кубланов, В. С. Романов, В. А. Симонов, СВ. Радзивиллович.

35. В. А. Симонов, А. В. Кубланов. Определение размеров междукамерных целиков при подземном выщелачивании солей по величине заданных деформаций. Сб. тр. ВНИИГ, Технология разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием. Л., 1981, с. 83-87.

36. В. А. Симонов, А. В. Кубланов. Определение вертикальных деформаций междукамерных целиков при подземном выщелачивании солей через скважины с поверхности. Реф. Сб. Калийная промышленность, М., НИИТЭХИМ, №3, 1983, с. 1-3.

37. Rohr H.V. Gebirgmechanisches Verhalten einer Kaverne in Salzgestein. Kali und Steinsalz, 1973, Bd. 6.

38. Renaud A., Dubois D. Observations originales sur la comportement mechanique des cavites lessives dans le sel et procedes nouveau de rechauffage des cavernes de fuel. Worid Petroleum Congress, 9*\ 1975.

39. Petts E.L.S., Thomson T.W., Possaris E.K.S. and Horseman S.T. Investigation into Underground Gas Storage in Brine Well Cavities. 5'" Symp. Salt Vol. 2. Cleveland, Ohio, 1980.

40. Журин A. П. Методика и результаты натурных исследований прочности камер подземного растворения солей. Тр. ВНИИГ «Технология разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием». П., 1981г.

41. Кубланов А. В., Симонов В. А. «О возможности оценки устойчивости камер выщелачивания по методу закачки рассола». М. НИИТЭХИМ, 1982г. (Калийная промышленность, научно-техн. реф. сб. №1).

42. Инструкция по безопасному ведению работ и охране недр при разработке месторождений солей растворением через скважинь: с поверхности // Безопасность труда в промышленности. 1999. № 6.

43. SMRI, Salt Dissolution Computer Programs: SALT 77, SALHYD and SALGAS, 1982.

44. Каратыгин Е.П., Кубланов A.B., Пустыльников Л.М., Чанцев В.П. Подземное растворение соляных залежей (проблемы, моделирование, управление). С.-Пб., Гидрометеоиздат, 1994.

45. Kublanov A. Experiences in using hydrofracturing at the Novo-Moscovsk brine field operations. SMRI Meeting papers, Fall 1995, presented in San Antonio, TX, USA, October 22-25, 1995.