Оценка инженерно-геологических характеристик каменной соли в окрестностях подземных резервуаров для газонефтепродуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.15, кандидат технических наук Бочкарева, Раиса Владимировна

• Бочкарева, Раиса Владимировна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочкарева, Раиса Владимировна

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение

1. Инженерно-геологические условия создания подземных хранилищ

в каменной соли

1.1. Инженерные особенности резервуаров в каменной соли как подземных сооружений

1.2. Инженерно-геологические характеристики каменной соли

2. Постановка задач, выбор объектов и методика исследований

2.1. Постановка задач исследования

2.2. Объекты исследования

2.3. Методика экспериментальных исследований

3. Исследование открытого порового пространства и экранирующей способности каменной соли в процессе деформирования

3.1. Исследования структуры порового пространства до и после приложения нагрузки

3.2. Исследование зависимости приращения открытой пористости

от деформационных характеристик

3.3. Исследование зависимости проницаемости от деформационных характеристик

3.4. Исследование экранирующей способности в зависимости от проницаемости

4. Анализ развития зоны повышенной пористости в окрестности резервуара в каменной соли и ее насыщение рассолом и продуктами хранения

4.1. Анализ развития зоны повышенной пористости в зависимости

от глубины заложения резервуара

4.2. Распространение рассола и продуктов хранения в зоне повышенной пористости

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка инженерно-геологических характеристик каменной соли в окрестностях подземных резервуаров для газонефтепродуктов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Хранение газонефтепродуктов в подземных резервуарах, сооружаемых в отложениях каменной соли, получило распространение с начала 50-х годов XX века. В России и за рубежом подземные резервуары применяются для хранения природного газа, гелия, пропана, бутана, этилена, сырой нефти и нефтепродуктов.

За последнее 40-летие в России и других странах СНГ построено около 100 подземных резервуаров в каменной соли общей вместимостью около 7 млн. м3, что составляет 3% от вместимости общемирового подземного резервуарного парка.

В России существует значительный дефицит в части резервуарной емкости для обеспечения надежности газотранспортных систем, создания стратегических резервов нефти и нефтепродуктов, товарно-сырьевых запасов нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. В настоящее время разрабатываются и реализуются отраслевые концепции и программы строительства подземных резервуаров в каменной соли. Для реализации этих программ геологические условия территории России представляют, практически, неограниченные возможности, благодаря обилию соленосных бассейнов и площадей, перспективных для строительства подземных хранилищ.

Анализ потребности в хранилищах газонефтепродуктов показывает, что на перспективу потребуется сооружение подземной резервуарной

о

емкости объемом около 60 млн. м /66/.

Развитие техники и технологии подземного хранения расширяют область применения подземных резервуаров. Осваиваются большие глубины заложения подземных резервуаров - 1000 - 1500 м, что требует разработки надежных методов расчета устойчивости выработок и прогнозирования

срока службы резервуаров в связи с интенсивной конвергенцией (уменьшение объема за счет ползучести каменной соли).

К настоящему времени срок службы существующих резервуаров насчитывает несколько десятилетий. За этот период существенно изменилась конъюнктура рынка углеводородов, что вызвало необходимость конверсии ряда подземных хранилищ (т.е. перевода на другой хранимый продукт), консервации или ликвидации некоторых подземных резервуаров, повысились экологические требования к охране окружающей среды.

Для решения проблем, связанных с техногенным воздействием подземных резервуаров на недра, возникла необходимость исследований, связанных с изучением изменения инженерно-геологических характеристик каменной соли в результате перераспределения напряжений в окрестности выработки подземного резервуара. В первую очередь это относится к изменению порово-трещинного пространства каменной соли и его проницаемости, поскольку именно по этому показателю оценивается герметичность подземного резервуара.

Цель работы - установление закономерностей изменения инженерно-геологических характеристик каменной соли в результате ее деформирования в окрестностях выработок подземных резервуаров для оценки размеров области загрязнения породного массива хранимым продуктом.

Идея работы состоит в использовании деформационных характеристик, принятых в геомеханической модели расчета устойчивости выработки подземного резервуара, для оценки изменений, происходящих в открытом порово-трещинном пространстве каменной соли.

Научные положения, разработанные лично диссертантом и их новизна:

1. Установлено, что приращение открытой пористости каменной соли под нагрузкой обусловлено объемными и сдвиговыми деформациями, при

при этом присоединение закрытых пор к открытым и образование новых открытых пор возможно после достижения некоторой предельной величины сдвиговых деформаций.

2. Установлено, что каменная соль утрачивает экранирующую способность и становится проницаемой для газонефтепродуктов после достижения некоторой предельной величины объемных деформаций.

3. Установлено, что проникновение хранимого продукта в зону повышенной пористости происходит в ограниченной области вблизи контура выработки и зависит от меняющегося по высоте выработки перепада давления между рассолом и продуктом хранения.

Обоснованность и достоверность научных положений, расчетов и выводов подтверждается:

• значительным объемом исследований структуры порового пространства (90 шлифов и аншлифов);

• большим количеством лабораторных исследований деформационных характеристик, экранирующих и коллекторских свойств образцов каменной соли различных литологических разновидностей четырех соляных месторождений (450 опытов);

• удовлетворительными результатами проверки статистических гипотез о наличии связи между приращением пористости и проницаемостью с деформационными характеристиками каменной соли;

• теоретическим анализом процессов, приводящих к изменениям в структуре порово-трещинного пространства каменной соли в процессе деформирования.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения открытой пористости и проницаемости каменной соли при деформировании, позволяющих оценить масштабы загрязнения породного массива хранимым продуктом.

Практическое значение работы состоит в прогнозировании размеров зоны повышенной пористости и области повышенной

проницаемости, безопасных для устойчивости и герметичности подземных резервуаров, на стадии горно-геологического обоснования строительства подземного хранилища.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы реализованы в СНиП 34-02-99 и СП 34-106-98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на Всесоюзной конференции «Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки», Москва, 1991; на научных симпозиумах «Неделя горняка» в 1998 и 1999 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 84 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 110 наименований, пять приложений.

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ

1.1. Инженерные особенности резервуаров в каменной соли как подземных сооружений

Интенсивное развитие хранения углеводородов в подземных резервуарах объясняется его преимуществами перед хранением в наземных парках из стальных резервуаров /29,44/:

• экономической эффективностью, начиная с объема 20-30 тыс. м3;

• меньшей площадью отчуждаемых земель;

• экологической безопасностью;

• меньшей пожароопасностью.

Наземных аналогов для хранения природного газа вообще не существует.

Подземные выработки хранилищ являются капитальными сооружениями, рассчитанными на длительную эксплуатацию.

При этом, массив каменной соли, в котором сооружаются выработки резервуаров, проявляет реологические свойства, т.е. способность пластического течения под действием горного давления. Поэтому выработка должна иметь размеры и форму, обеспечивающие устойчивость в условиях большого горного давления, а внутреннее давление продукта в резервуаре должно предотвращать интенсивное заплывание выработки (конвергенцию).

Отечественные резервуары заложены на глубинах (по кровле) от 400 до 1350 м /66/. Наибольшая известная глубина заложения выработки подземного резервуара составляет 1850 м (США).

Как правило, выработки резервуаров имеют цилиндрическую форму с закуполенной потолочиной и конусообразным днищем. Высота выработок резервуаров достигает 600 м /96/, а максимальные пролеты - от 40 до 100 м.

Создание в отложениях каменной соли выработок заданной конфигурации возможно путем управляемого растворения через буровые

скважины при помощи жидкого (как правило углеводородного состава) или газообразного «нерастворителя», предохраняющего каменную соль от произвольного растворения /15, 29, 32, 57/.

Наиболее распространенным методом строительства выработок в каменной соли является метод растворения отступающими ступенями «снизу - вверх».

Скважина оборудуется тремя колоннами труб: обсадная и две эксплуатационных (рабочих). «Нерастворитель» подают в межтрубное пространство между обсадной и рабочей колоннами, воду нагнетают по межтрубному пространству рабочих колонн, а рассол вытесняется на поверхность по внутренней колонне труб.

В нижней части соляного пласта создается гидровруб - первоначальная выработка большого диаметра и сравнительно малой высоты, высота регулируется закачкой «нерастворителя».

После образования первоначального гидровруба отработка соляной залежи идет ступенями снизу вверх, причем размыв производится в выбранном интервале ступени. Площадь ступени принимается в зависимости от проектной формы и размеров выработки, а высота ступени - как правило, в зависимости от наличия и характера распределения нерастворимых включений в массиве соли, в пределах от 4 до 20 м.

Строительный рассол (насыщенный раствор №С1), образующийся в результате растворения соли, утилизируется на солепотребляющих предприятиях или закачивается в глубокие поглощающие горизонты /33/.

Принципиальная схема сооружения подземных резервуаров показана на рис. 1.1.

В процессе подготовки подземного резервуара к эксплуатации производится удаление «нерастворителя» замещением насыщенным рассолом.

Принципиальная схема сооружения подземного хранилища газа в каменной соли: 1,2- варианты водозабора соответственно - из поверхностных источников, из подземных источников; 3 - насосная станция для перекачки воды; 4 - трубопровод технической воды; 5 - рассолопровод; 6 - узел подготовки рассола к транспорту; 7 - нассосная станция для перекачки рассола; 8,9- варианты удаления рассопа соответственно - сброс в нагнетапьные скважины, передача на сопепотребпяющее предприятие, 10 - узел подачи и отбора нерастворителя; 11 - насосная станция для перекачки нерастворителя;

12 - трубопровод нерастворителя; 13 - подземные резервуары.

Эксплуатация подземного резервуара для жидких углеводородов осуществляется по рассольной схеме. Заполнение выработки осуществляется путем вытеснения продуктом хранения насыщенного рассола в наземное рассолохранилище, объем которого равен суммарному объему подземных резервуаров. Выдача продукта производится в обратном порядке: путем его вытеснения насыщенным рассолом. Таким образом, эксплуатация резервуаров для жидких углеводородов осуществляется, практически, при постоянном давлении, близком к величине давления столба рассола на глубине заложения выработки. Принципиальная схема эксплуатации таких хранилищ приведена на рис. 1.2.

При вводе в эксплуатацию газохранилищ, в процессе первоначального заполнения газом, насыщенный рассол вытесняется из резервуара и удаляется с площадки хранилища. Далее эксплуатация осуществляется при переменном давлении путем подкачки и выпуска газа. При выдаче газа давление снижается до некоторого буферного давления, определяемого геомеханическим расчетом по условию устойчивости выработки.

Одной из инженерных особенностей подземных резервуаров в каменной соли является размещение подземных выработок большого объема в породном массиве, проявляющем реологические свойства. При этом для уменьшения скорости конвергенции выработок до практически приемлемых значений в них поддерживается расчетное давление продукта.

Другой инженерной особенностью является физико-химическое взаимодействие воды, рассола различной концентрации, жидких и газообразных углеводородов с каменной солью на контуре подземной выработки.

1.2. Инженерно-геологические характеристики каменной соли

Географическое размещение и перспективы строительства подземных хранилищ прежде всего определяются наличием залежей каменной соли.

- рассол

■ дизельное топливо

■ бензин

■ дизельное топливо или бензин

Принципиальная технологическая схема подземного хранилища нефтепродуктов

1 - подземный резервуар; 2 - скважина; 3 - рассолохранилище; 4 - насос для рассола; 5 - буферный резервуар для дизельного топлива; 6, 7, - насосы соответственно высокого и низкого давления; 8 - буферный резервуар для бензина.

к>

В странах СНГ подземные хранилища созданы на территориях России, Украины, Белоруссии и Армении. В России известно всего 15 соленосных бассейнов и площадей, 9 из которых расположены в Европейской части и 6 в Азиатской, на Украине имеется три соленосных бассейна, в Белоруссии и Армении по одному (рис. 1.3). Бассейны различаются возрастом, площадными размерами, глубиной залегания, мощностью и морфологией соляных тел /31/. Основные усредненные характеристики соленосных бассейнов приведены в табл. 1.1 /66, 107/.

Подземные резервуары сооружаются в залежах каменной соли всех морфологических типов (пластах, линзах, куполах, штоках и пр.).

Построенные и эксплуатирующиеся резервуары России дислоцированы в бассейнах Волго-Уральском, Прикаспийском и Иркутского амфитеатра. В других странах СНГ резервуары построены на территории Припятского, Днепрово-Донецкого, Закарпатского и Ереванского соленосных бассейнов /66/.

Таблица 1.1

Характеристика соленосных бассейнов и площадей на территории России, Украины, Белоруссии и Армении

Глубина Мощ- Преобла-

залегания ность дающая

№№ Бассейны и Возраст кровли каменной морфоло-

п/п площади каменной соли, м гия соля-

соли, м ного тела

1 2 3 4 5 6

Россия

1 Калининградский Р2 800- 1100 20-175 пласт

2 Подмосковный о2 700-1100 5-60 пласт

3 Двинско-Сухонский Р1 250 - 700 2-10 пласт

4 Сереговский купол Б? 230 - 600 более 800 купол

5 Печеро-Камский Р1 150- 800 60 - 400 пласт

6 Давыдовская Р1 до 500 ~ 10 пласт

7 Северо-Кавказский 350-900 30-100 пласт

8 Прикаспийский Р1 0-1000 60 - 1000 купол

¿оленосные бассейны л подземные хранилища <а территории России, Украины, Белоруссии и Армении

---

---/

юоленосные басейны

- - действующие

газопроводы

- проектируемые газопроводы

ПОДЗЕМНЫЕ ХРАНИЛИЩА

• „„„ эксплуатирующиеся и строющиеся ~ газа

о проектируемые

■ - жидких углеводородов эксплуатирующиеся

А>

/ Красноярск

о Новосибирск

продолжение табл. 1.1

1 2 3 4 5 6

Россия

9 Волго-Уральский Р2 140-550 5-80 пласт,

купол

10 Иркутского 275 - 1200 5-80 пласт

амфитеатра

11 Троицко- 170- 1200 5-70 пласт

Михайловский вал

12 Березовской 200- 1000 2-50 пласт

впадины

13 Кемпендяйской 0- 1200 > 1500 купол

впадины

14 Нордвик- 0-300 2000 шток

Хатангский

15 Тувинской впадины Ъ2 0-40 ~ 20 пласт

Белоруссия

16 Припятский В3 330-500 до 1000 пласт,

купол

Украина

17 Днепрово-Донецкой В3 200-400 до 1900 купол,

впадины шток

18 Предкарпатский N1 50-250 20-300 пласт

19 Закарпатский N1 3-75 250-300 купол,

шток

Армения

20 Ереванский N 220-450 до 260 м пласт

В соответствии со СНиП 34-02-99 /69/ массивы горных пород, предназначенные для размещения выработок подземных резервуаров, должны обеспечивать устойчивость и герметичность выработок на весь период эксплуатации хранилища.

На основании опыта отечественного и мирового подземного резервуаростроения определены требования к инженерно-геологическим условиям размещения подземных резервуаров /31/:

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

• глубина заложения подземных резервуаров от 60 до 1500 м;

• минимально допустимая мощность соли - 25 м;

• 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 (карст, оползни, сели и др.), а также в зонах региональных глубинных разломов с развитием неотектонических явлений.

На основании вышеперечисленных требований Двинско-Сухонский бассейн, Давыдовская площадь и бассейн Тувинской впадины мало перспективны для строительства резервуаров вследствие малой мощности соленосных пластов.

К области инженерной геологии относятся все проблемы, связанные с созданием сооружений в геологической среде /45/. Здесь мы ограничимся только теми аспектами, которые связаны с вопросами устойчивости и герметичности выработок подземных резервуаров.

Инженерно-геологические характеристики, используемые при проектировании формы и размеров подземных резервуаров и технологии их строительства, базируются на изучении различных свойств каменной соли конкретных месторождений. При этом основными характеристиками являются /69/:

• экранирующая способность и физико-механические показатели;

• коэффициент скорости растворения соли;

• минералого-петрографический и химический составы соли.

При этом физико-механические свойства и экранирующая способность используются при расчетах устойчивости и герметичности подземных резервуаров, а остальные свойства, главным образом, при разработке регламента строительных процессов, обеспечивающих создание выработок заданных форм и размеров. Настоящее исследование посвящено оценке свойств каменной соли в окрестностях выработок подземных резервуаров, определяющих их устойчивость и герметичность.

Под экранирующей способностью породы понимается ее способность быть практически непроницаемой для жидких и газообразных флюидов в условиях заполнения открытого порового пространства природной влагой.

Классификации горных пород по экранирующей способности /71, 79/ в зависимости от избыточного давления, при котором происходит прорыв газа через влагонасыщенную породу, предусматривают шкалу от низкой до высокой экранирующей способности.

Каменная соль, в целом, в условиях естественного залегания рассматривается как порода с наиболее высокой экранирующей способностью и является наиболее надежной покрышкой нефтяных и газовых месторождений с аномально высокими давлениями.

Одним из наиболее важных критериев оценки экранирующей способности является проницаемость породы.

Различают абсолютную, эффективную и относительную проницаемость. Абсолютная проницаемость К (в дальнейшем проницаемость) - проницаемость пористой среды для газа или однородной жидкости при отсутствии физико-химического взаимодействия между жидкостью и пористой средой и при условии полного заполнения пор среды газом или жидкостью.

Эффективной или фазовой проницаемостью называется проницаемость пористой среды для данного газа или жидкости при одновременном присутствии в порах другой фазы - жидкой или газовой.

Эффективная проницаемость характеризует не только физические свойства пористой среды, но и физико-химические свойства содержащихся в ней жидкостей и газов и характер их движения.

Относительная проницаемость породы характеризуется отношением между величинами эффективной и абсолютной ее проницаемости и выражается безразмерным числом, меньшим единицы /2, 11, 41, 52, 79/.

В лабораторной практике экранирующая способность оценивается по значениям абсолютной проницаемости и параметрам структуры порового пространства. Для образцов каменной соли, изготовленных из кернов скважин, замеренные значения газопроницаемости, как правило, изменяются

17 9 90 9

от 10" м до 10" м , а размер открытых поровых каналов от первых единиц до сотых долей мкм. Для сравнения: проницаемость пород-коллекторов, например, песчаников колеблется от 10"12 до 10"14 м2, алевролитов - от 10"13 до 10"14 м2, известняков - от 10~12 до 10"15 м2. Значения открытой пористости каменной соли (т0) изменяются в пределах 0.2 - 1.5%.

При исследовании физико-механических свойств определяются следующие показатели:

• плотность, р;

• влажность,

• предел прочности при сжатии (мгновенная прочность), стс;

• реологические свойства.

Реологические свойства характеризуют процесс ползучести, т.к. каменной соли присуще свойство деформирования во времени при длительном действии нагрузки /10, 85/.

Деформации разделяются на деформации формоизменения, характеризующиеся величиной 81 (интенсивность деформаций сдвига) и деформации изменения объема 8У (объемная деформация).

Реологические свойства пород, как правило, исследуют, обеспечивая

• постоянную скорость изменения напряжений;

• постоянство напряжений (ползучесть);

• постоянную скорость деформации;

• постоянство деформаций (релаксация);

• приложение нагрузки определенными порциями-ступенями с заданным временем действия каждой ступени (ступенчатое нагружение).

Длительные опыты в условиях ползучести при сжатии показали, что в зависимости от скорости деформирования различают три стадии: затухающей ползучести, установившегося и прогрессирующего течения. Время наступления каждой стадии и ее продолжительность зависят от величины действующих напряжений. Если напряжения не превышают предела длительной прочности, то процесс деформирования носит затухающий характер и сопровождается незначительными изменениями объема образца. При напряжениях выше этого предела процесс деформирования характеризуется всеми тремя стадиями. Объем образца постоянно увеличивается, пока не наступает разрушение.

Впервые в работе /55/ отмечено, что для каменной соли при быстром нагружении поперечные деформации цилиндрического образца могут превышать продольные.

Лабораторному изучению реологических свойств каменной соли посвящены многочисленные исследования /74, 50, 51, 105, 98/.

Закономерности деформирования каменной соли при длительном и кратковременном действии нагрузки описываются при помощи различных математических моделей.

Наиболее распространена теория нелинейной наследственной ползучести, /59/, согласно которой в момент времени (1) учитываются все изменения напряжений, которые имелись.

Уравнения состояния по этой теории для каменной соли предложено использовать в работах /9, 22, 38, 39/.

Французские ученые используют модель Леметра /97/, однако эта модель не описывает трех стадий ползучести и применима только для стадии затухающей ползучести. Немецкие ученые применяют модель Лаби 2 /100/, эта модель не учитывает дилатансии каменной соли. Она предполагает, что объемные деформации во времени не меняются.

Дальнейшее развитие идей, заложенных в математической модели, включающей уравнения нелинейной наследственной ползучести применительно к условиям создания подземных резервуаров получило в работах /85, 86, 105, 106/, где предложена математическая модель для оценки длительной устойчивости подземных резервуаров, основанная на способе описания опытов при действии постоянных напряжений.

Как показали многочисленные эксперименты и сравнительные расчеты, при постоянстве нагрузок (горного давления и противодавления продукта в резервуаре) использование сложных интегральных уравнений теории нелинейной наследственной ползучести нецелесообразно, т.к. поведение каменной соли в этих условиях с достаточной точностью описывается более простыми уравнениями теории упрочнения.

В соответствии с предложенной моделью обратимые деформации каменной соли определяются по закону Гука.

Необратимые деформации определяются по теории упрочнения, включающей уравнения (1.1) и (1.2), описывающие поведение каменной соли при постоянных напряжениях, и правило определения деформации при переменном нагружении /59/. Согласно этому правилу, изменение напряжения на Ас при некоторой необратимой деформации равносильно переходу на новую кривую ползучести в точку с той же необратимой деформацией при разгрузке и в точку с увеличенной на величину АЫЕ необратимой деформацией при нагружении.

<?\ С 81

оо

1 ос

Заключение диссертации по теме «Рудничная геология», Бочкарева, Раиса Владимировна

Выводы.

• Определены значения глубин заложения выработок, в окрестности контура которых образуется зона повышенной пористости. Эти значения зависят от реологических свойств каменной соли и формы выработок.

• Зависимость мощности и объема открытого порово-трещинного пространства зоны от глубины имеет практически линейный характер до

1300 м, далее нелинейность возрастает с высокой интенсивностью. Для 2 цилиндрической выработки вместимостью 1000000 м при глубине заложения кровли 1000 м мощность зоны составит 18 м в районе кровли и 30 м в районе почвы, а объем - 750 м .

• В период строительства резервуара происходит насыщение зоны повышенной пористости естественными рассолами при вскрытии ранее закрытых пор с газожидкостными включениями и строительным рассолом со стороны выработки.

• В процессе эксплуатации резервуара происходит взаимозамещение продукта и рассола в приконтурной части зоны повышенной пористости за счет перепада давления на продуктовой и рассольной линиях резервуара. Перепад давления по высоте выработки определяется разностью в плотности рассола и хранимого продукта.

• Снижение предела длительной прочности в зоне повышенной пористости в связи с влиянием рассола приводит к росту конвергенции выработки на 14 тыс. м3.

• Выявленные закономерности изменения проницаемости в зависимости от объемных деформаций позволяют прогнозировать размеры области в окрестности выработки, загрязненной хранимым продуктом. Область занимает только часть зоны повышенной пористости. Для глубины 1000 м мощность области составляет 2 м в районе кровли и 5 м в районе почвы, объем области загрязнения составляет 265 м .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи по выявлению закономерностей изменения инженерно-геологических характеристик каменной соли в окрестности подземного резервуара газонефтепродуктов в результате перераспределения напряжений в породном массиве.

Приведенные в работе исследования позволили сделать следующие выводы:

1. В процессе образования открытого порового пространства каменной соли при ее деформировании выделяется две стадии:

- переходная (уплотнение-разрыхление), где происходит уменьшение объема закрытых пор с одновременным увеличением объема взаимосвязанного открытого порового пространства за счет разрыва контактов между зернами и разрушения последних по плоскостям спайности;

- стадия разрыхления, где появляются новые системы открытых трещин с подключением к ним закрытых пор и происходит интенсивное слияние и расширение открытых трещин.

2. Приращение открытой пористости от объемных и сдвиговых деформаций в соответствии с предложенным механизмом ее образования описывается двучленной формулой, согласно которой присоединение закрытых пор к открытым и образование новых открытых пор возможно при превышении инвариантом 8; некоторой предельной величины 81*, которая по результатам опытов составляет 0.038.

3. Проницаемость в зависимости от объемных деформаций в области ву < 0.01 возрастает по степенной зависимости, а при более высоких значениях деформаций по линейной.

4. В процессе деформирования соли переход от экрана к коллектору, где возможно взаимовытеснение продуктов хранения (рассола и нефтепродуктов) под действием гравитационных сил, происходит при значениях объемных деформаций порядка 0.002, что соответствует проницаемости 10"15 м2. При более низких значениях объемных деформаций взаимовытеснение продуктов хранения возможно только после преодоления капиллярного давления системы (порогового давления), связь которого с проницаемостью описывается степенной зависимостью.

5. Определены значения глубин заложения выработок, в окрестности контура которых образуется зона повышенной пористости. Эти значения зависят от реологических свойств каменной соли и формы выработок.

6. Зависимость мощности и объема открытого порово-трещинного пространства зоны от глубины имеет практически линейный характер до 1300 м, далее нелинейность возрастает с высокой интенсивностью. Для цилиндрической выработки вместимостью 1000000 м при глубине заложения кровли 1000 м мощность зоны составит 18 м в районе кровли и о

30 м в районе почвы, а объем - 750 м .

7. В период строительства резервуара происходит насыщение зоны повышенной пористости естественными рассолами при вскрытии ранее закрытых пор с газожидкостными включениями и строительным рассолом со стороны выработки.

8. В процессе эксплуатации резервуара происходит взаимозамещение продукта и рассола в приконтурной части зоны повышенной пористости за счет перепада давления на продуктовой и рассольной линиях резервуара. Перепад давления по высоте выработки определяется разностью в плотности рассола и хранимого продукта.

9. Выявленные закономерности изменения проницаемости в зависимости от объемных деформаций позволяют прогнозировать размеры области в окрестности выработки, загрязненной хранимым продуктом. Область занимает только часть зоны повышенной пористости. Для глубины 1000 м мощность области составляет 2 м в районе кровли и 5 м в районе почвы, объем области загрязнения составляет 265 м3.

10.Снижение предела длительной прочности в зоне повышенной пористости в связи с влиянием рассола приводит к росту конвергенции выработки на 14 тыс. м3.

11 .Установленные закономерности изменения инженерно-геологических характеристик каменной соли при деформировании являются исходными данными для расчета подземных резервуаров, устойчивых и безопасных для окружающей среды.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бочкарева Р.В., Шафаренко Е.М. Особенности проявления реологических свойств некоторых структурно-текстурных разновидностей каменной соли. - М., 1991.-10 с.

2. Parfenov V.l., Bochkareva R.V., Shafarenko. Е.М., Sohranskij .V.B. Influence of stress-strain state change on rock salt shielding properties . SMRI Meting, Rome, 1998, pp. 407-415.

3. СП 34-106-98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки» -М., 1998. - 110 с.

4. Шафаренко Е.М., Бочкарева Р.В. Оценка экранирующей способности каменной соли в окрестности подземного резервуара. - М.: МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, № 1, 1999, деп. янв. 1999, №184.-13 с.

5. Бочкарева Р.В. Механизм микроразрушений каменной соли в окрестности незакрепленного подземного резервуара. -М.: МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, № 1, 1999, деп. янв. 1999, №185. -Юс.

6. СНиП 34-02-99 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки». -М., 1999. - 32 с.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочкарева, Раиса Владимировна, 1999 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Алиев А.Г., Ахмедов Г.А. Коллекторы нефти и газа мезозойских и третичных отложений Азербайджана. Азнефтниздат, 1958.

2. Амикс Дж., Басс Д., Уайтинг Р. Физика нефтяного пласта, -М.: Гостотехиздат, 1962. - 372 с.

3. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Оценка устойчивости горных выработок -М.: Шахтное строительство, 1978, № 2, с. 13-16.

4. Беккер Д.И., Катков Г.А., Трумбачев В.Ф. Напряженное состояние пород вокруг незакрепленных выработок-емкостей газонефтехранилищ.-Доклады СО АН СССР, ГПНТБ, Новосибирск, 1968, с. 68-72.

5. Боровиков В.П. Популярное введение в программу STATISTIC А . -Компьютер пресс. -М.: 1978. - 266 с.

6. Валяшко М.Г. Закономерности формирования месторождений солей. Издательство Московского университета , 1962. - 398 с.

7. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Наука, 1972. - 720 с.

8. Векслер Ю.А. Тутанов С.К. Расчет величины зоны разрушения в окрестности подземных горных выработок. Устойчивость и крепление горных выработок. - JL, 1978. - вып. 5. - с. 59-60.

9. Габдрахимов И.Х. Исследование длительной прочности горных пород и совершенствование систем разработки в условиях Верхнекамских калийных рудников.; Автореф. канд дис.- Фрунзе, 1968.- 16 с.

Ю.Гальперин A.M., Зайцев B.C., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология. - М.: Недра, 1989. - 383 с.

11 .Гиматудинов Ш.К., Ширковский А.И. Физика нефтяного и газового пласта.-М.: Недра, 1982. - 311 с.

12.ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии Государственный комитет СССР по стандартам. -М.,1984.-10 с.

13.ГОСТ 26450.1-85. Породы горные. Метод определения коэффициента открытой пористости жидкостенасыщением. Государственный комитет СССР по стандартам. -М., 1985.-7 с.

14.ГОСТ 26450.2-85. Породы горные. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации. Государственный комитет СССР по стандартам. -М., 1985.12 с.

15.Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров - нефтегазохранилищ.- Киев: Будивельник, 1973. - 244 с.

16.Громов В.А., Ножкин Н.В. Газопроницаемость угля в изменяющихся условиях фильтрации. - В кн.: Эффективная и безопасная разработка месторождений полезных ископаемых. - М., 1969, с. 61-68.

17.Грохотов В.А., Штерн Л.М. Расчет изменения конфигурации подземных емкостей в процессе эксплуатации. - Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 1976, № 12, с. 8-11.

18.Гудок Н.С. Изучение физических свойств пористых сред. - М.: Недра, 1970.-205 с.

19.Гудок Н.С. Фильтрационные свойства малопроницаемых горных пород. Геология нефти и газа. № 11, 1960, с. 18.

20.Добрынин В.И. Физические свойства нефтегазовых коллекторов в глубоких скважинах. - М.: Недра, 1965. - 162 с.

21. Добрынин В.И. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. - М.: Недра, 1970.

22.Ержанов Ж.С., Бергман Э.И. Ползучесть соляных пород.- Алма-Ата: Наука, 1977.-111с.

23.Ермеков М.А. Изучение газопроницаемости каменных углей в лабораторных условиях: - В кн.: Материалы Всесоюзного совещания по дегазации угольных пластов на шахтах СССР. - М., 1966, с. 125-129.

24.Желтов Ю.П. Деформации горных пород. - М.: Недра, 1966.

25.Журавлева Т.Ю. Инженерно-геологическая характеристика соляных формаций в связи с созданием подземных хранилищ углеводородов. Авторефю. канд. дисс..- М., 1996.- 16 с.

26.3арецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов. - Ростов, 1989. - 607 с.

27.3ильбершмидт В.Г. , Тимантеев O.A., Митус А.П. Каталог физических свойств горных пород Верхнекамского калийного месторождения. Часть 1.-Пермь, 1976. - 81 с.

28.Иванов A.A., Воронова M.JI. Галогенные формации. - М.: Недра, 1972. -328 с.

29.Иванцов О.М. Хранение сжиженных углеводородных газов. - М.: Недра, 1973. - 224 с.

30.Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1972. - 304 с.

31 .Инструкция по проведению геологоразведочных работ при проектировании и строительстве подземных хранилищ нефти, нефтепродуктов, сжиженных и природных газов в каменной соли. ВНИИПромгаз, [ ИГР-ПХС-78], Л, 1979. - 45 с.

32.Казарян В.А., Пышков H.H. Технологические схемы эксплуатации подземных хранилищ углеводородов в каменной соли. М: Газовая

промышленность. Серия: Транспорт и хранение газа. Научно-технический обзор, 1990. - 57 с.

33.Калашников П.И., Мазуров В.А. Определение основных параметров сброса рассола в недра при строительстве подземных хранилищ в каменной соли. - Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, 1973, вып. 6, с.49-54.

34.Калинко М.К. Методика исследования коллекторских свойств кернов. -М.: Гостоптехиздат, 1963.-224 с.

35.Кириченко A.C., Проскуряков Н.М., Трофимов А.Ю. Исследование газопроницаемости соляных пород калийных платов. Тр. ВНИИГ, вып. 33, №2, 1975, с.51.

36.Кириченко A.C. Исследование эффективности дренажного бурения как способа борьбы с внезапными выбросами соли и газа из кровли выработок на калийных шахтах. Автореф. канд. дисс. -Л., 1978, с. 9-10.

37.Кондратов А.Б., Константинова С.А., Соколов В.Б. О влиянии индуцированной структуры соляного массива вокгуг горных выработок радиоплотнометрическим методом. // Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов: Тез. Докл. IX Всес. Науч. Конф. - М., 1987.-126 с.

38.Константинова С.А. Геомеханические основы методов прогноза и обеспечения устойчивости капитальных выработок калийных и соляных рудников. Автореф. доктор, дисс. - Пермь, 1993. - 24 с.

39.Константинова С.А., Саврасов И.Ф. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость соляных пород вокруг выработок с учетом нелинейности их деформирования, разрыхления и возможности перехода деформации в предельную стадию. - Физ. - техн. пробл. разраб. полезных ископаемых, 1983, № 2, с. 29-35.

40.Коротков Р.П. Определение абсолютной величины горного давления с помощью фильтрации воды. - «Уголь Украины», 1964, № 3, с. 11-12 с ил.

41.Котяхов Ф.И. Основы физики нефтяного пласта. -М.: Гостоптехиздат, 1956.-363 с.

42.Кричевский P.M., Бобров И.В. Внезапные выбросы угля и газа на шахтах Донбасса. - М., 1954. - 59 с.

43.Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. Задачи и методы их изучения в связи с вопросами управления горным давлением- М.: Углетехиздат, 1947.-17 с.

44.Мазуров В.А. Подземные газонефтехранилища в отложениях каменной соли. - М.: Недра, 1982. - 212 с.

45.Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. В двух томах. Под редакцией Е.М. Сергеева. - М.: Недра, 1984. -861 с.

46.Мисников В.А. Прогноз и обеспечение устойчивости капитальных выработок калийных рудников в мелкослоистых породах на больших глубинах. Автореф. канд. дисс. - Солигорск, 1991. - 28 с.

47.Несмелова З.Н. О газах и калийных солях Березниковского рудника. Тр. ВНИИГ, вып. 35, 1959. - с. 206.

48.Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. - М.: Недра, 1996. -447 с.

49.Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М., Недра, 1979. - 271 с.

50.0ксенкруг Е.С. Определение предела длительной прочности каменной соли в реальной среде.Ю.И./ Всес. науч.-исслед. ин-т газовой пром-сти.-1974.-№ 6, с. 18-19.

51.0ксенкруг Е.С., Шафаренко Е.М. Изменение объема каменной соли в процессе ползучести. -М., 1979.-9с. - Рукопись представлена ВНИИПромгазом. Деп. в ЦНИИС апр. 1979, № 1445.

52.0ркин К.Г., Кучинский П.К. Физика нефтяного пласта. -М, 1955. - 299 с.

53.Панюков П.Н. Инженерная геология. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 343 с.

54.Пасманик М.И., Сасс-Тисовский Г.А., Якименко JI.M. Производство хлора и каустической соды. Справочник. -М.: Химия, 1966. - 312 с.

55.Пеньков A.M., Вопилкин A.A. Расчет опорных целиков при добыче каменной соли. - Киев: Изд-во АН СССР, 1950.-59с.

56.Пермяков P.C., Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы соли и газа. - Л.: Недра, 1972.

5 7.Поздняков А .Г. О моделировании процесса выщелачивания подземных камер в каменной соли. Тр. ВНИИПромгаза, вып. 4, 1969, с. 71-83.

58.Проскуряков Н.М., Пермяков P.C., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. -Л.: Недра, 1973.-271 с.

59.Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. -М., Наука, 1966. -752 с.

60.Ромм Е.С. Фильтрационные свойства трещиноватых пород. - М.: Недра, 1966.-283 с.

61.Савченко В.П. Определение положения газоводяного, водонефтяного, газонефтяного контактов по данным замеров пластовых давлений. Газовая промышленность, № 3; 1958.

62.Сивоконь Е.П. Исследование влияния закладки на устойчивость междукамерных целиков калийных рудников: Автореферат канд дисс./ЛГИ. - Л., 1966.

63.Скрипка В.П., Федулин B.JI. Микротрещиноватость каменной соли при ползучести. JI. Физ-тех проблемы разрабротки полезных ископаемых, № 4, 1991, с. 37-40.

64.Сластунов C.B. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений: -М, 1996. - 441 с.

65.Смехов Е.М. Методическое пособие по изучению трещиноватости горных пород и трещинных коллекторов нефти и газа. - JI, Гостоптехиздат, 1962. -84 с.

66.Смирнов В.И. Основание и разработка способов технологий строительства подземных сооружений для хранения газонефтепродуктов и захоронения промышленных отходов. Автореф. доктор, дисс. - М., 1995.46 с.

67.Смирнов В.И., Казарян В.А., Игошин А.И., Сластунов C.B. Исследование проницаемости вмещающих горных пород при строительстве в них хранилищ текучих сред. Горный информационно-аналитический бюллетень, выпуск 4, :-М. 1994, с. 19-22.

68.Смирнов В.И., Казарян В.А. Исследование проницаемости вмещающих пород при фильтрации газов в реальных условиях. Горный информационно-аналитический бюллетень, выпуск 2, :-М. 1994, с. 34-38.

69.СНиП 34-02-99 Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. -М., 1999. - 32 с.

70.Сохранский В.Б. Исследование экранирующей способности и структуры порового пространства горных пород при создании подземных газонефтехранилищ шахтного типа. Автореф. канд. дисс. - М., 1970. - 17 с.

71.Сохранский В.Б. Черкашенинов В.И. Подземные газонефтехранилища.-М.: Недра, 1978. - 206 с.

72.СП 34-106-98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки»-М., 1998. - 110 с.

73.Ставрогин А.Н., Георгиевский B.C. Исследование газопроницаемости горных пород при объемном сжатии. Сб. «Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело». (ЦНИЭИУголь), М., 1968, № 5, (II).

74.Ставрогин А.Н. Экспериментальное исследование ползучести и долговечности горных пород. - В кн. Труды координационных совещаний по гидротехнике. - JI., 1968, вып. 38, с.228-239.

75.Теодорович Г.И. Учение об осадочных породах. Гостоптехиздат, 1958.

76.Титов Б.В. Исследование и разработка метода определения длительной прочности соляных горных пород при сжатии. Автореф. канд. дисс. -JI.: 1984. - 18 с.

77.Требин Ф.А. Нефтепроницаемость песчаных коллекторов, Гостоптехиздат, 1945.

78.Фромм В.В., Вайтекунас К.-А.К. и др. Изучение глубоких горизонтов месторождений полезных ископаемых при разведке. - М., изд ВСЕГИНГЕО, 1991. - 45 с.

79.Ханин A.A. Породы-коллекторы нефти и газа и их изучение. -М.: Недра, 1969.-366 с.

80.Ходот В.В. Вероятный механизм внезапного выброса угля и газа. - в кн. Вопросы теории внезапных выбросов угля и газа, М., изд. ИГД АН СССР, 1959. с. 78-96.

81.Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. Госгортехиздат. М., 1961. -363 с.

82.Черепенников A.A. Руководство по опробыванию и анализ природных газов. М.: Госгеолиздат, 1951. - 120 с.

83.Черкашенинов В.И. Исследование свойств труднопроницаемых пород с целью создания в них выработок для хранения нефтепродуктов и сжиженных газов. Автореф. канд. дисс. - М., 1967. - 25 с.

84.Черкашенинов В.И., Сохранский В.Б., Савин А.К. Влияние эффективного давления на проницаемость плотных пород. В сб. Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых.с. -М: Недра, 1975, с. 154-159.

85. Шафаренко Е.М. Ползучесть горных пород при постоянном напряжении. - В кн.: Основания, фундаменты и подземные сооружения. Труды пятой конференции молодых научных сотрудников. -М, 1970, с. 20-27.

86.Шафаренко Е.М. Длительная устойчивость подземных горных выработок в отложениях каменной соли. Доктор, дисс. - М., 1983. - 326 с.

87.Шустров В.П. Разработка конструктивных и технологических параметров перемычек для герметизации выработок подземных резервуаров.. Автореф. канд. дисс. -М., 1987. - 15 с.

88.Щербань А.И., Цырульников А.С. Газопроницаемость угольных пластов. АН УССР, Киев, 1958. - 110 с.

89.Яржемский Я.Я. Атлас структур и текстур галогенных пород СССР. - Л: Недра, 1974. - 229 с.

90.Яровой И.М. Руководство по разработке пластов, опасных по выбросам угля и газа. М.: Углетехиздат, 1949. - 168 с.

91.Яхеев В.В. Разработка методов прогноза газодинамических явлений и совершенствование способов отработки краевых зон калийных месторождений. Автореф. канд. дисс. - JI., 1985. -20 с.

92.Blankenship D.A. Fitting of RE/SPEC Inc. And Stormont Permeability Versus Volumetric Strain Data, Calculation File 325/09/03, prepared by RE/SPEC, Ins. Rapid City, SD, for Sandia National Laboratories, Albuquerque, NF.

93.Callahan G.D., Fossum A.F., Svalstad D.K. Documentation of Spectrom-32: A Finite Element Thermomechanical Stress Analysis Program, DOE/CH/10378-2, prepared by RE/SPEC, Ins. Rapid City, SD, for the U.S. Department of Energy, Chicago Operation Office, Argonne, IL, Vol.I.and II.

94.Chan K.S, Bonder S.R., Munson D.E. Fossum A.F. Inelastiic Flow Behavior of Argillaceous Salt. International Journal of Damage Mechanics, Vol. 5, № 3, July, p. 292-314.

95.Fatt I. Pore structure in sandstone by compressing spherepack models. Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol., 1958, vol.42, № 8.

96.Fosse Alf.P., Rovang Lars B. Verifying Established Initial Gas Temperature Distribution in Caverns. // SMRI, Spring Meet. New Orleans, Louisiana, 1998, p. 126-142.

97.Guerver B. Presentation of a 3D geometrical code using an improved rheological model for salt cavern design and stability study with the aim of underground naturel gas storage.// International conference on Underground Gas Storage, Moscow, 1995, p. 91-96.

98.Hofer K.H., Berthold E., Mensel W. Rheologische Modelle und in situ-Messungen im Salegebirge. - In:Beright über das 6. // Landertreffen des Internationalen Büros fur Gebirgsmechanik. Berlin, 1965, s.58-67.

99.Kazaryan V.A., Zybinov I.I., Kotov A.V. Investigation of porosity in rock salt// SMRI, Spring Meet. Cracow, - 1997, - p. 271-277.

100.Lux K.H., Quast P., Rokahr R.B. 20 Jahre Erfahrungen mit Slzkavemen, Erdöl, Erdgas, Kohle, 104. Jahrgang, Heft 2, 1988,

101.Peach C.J. Influence of Deformation on the Fluid Transport Properties of Salt Rocks, Ph/ D/ Dissertation, Department of Geology, University of Utrecht, Netherlands, 1991.

102.Pfeifle T.W., DeVries K. L., Nieland J.D. Damage-Induced Permeability Enhancement of Natural Rock Salt with Implications for Cavern Storage, New Orleans, LouiCsiana, USA, 1998, p. 260-289.

103.Pfeifle T.W., Hurtado. L.D. Permeability of Natural Rock Salt From the

Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) During Damage Evolution and Healing. //

j

Proceedings 3 North American Mechanics Symposium, 1998, Cancun, Quintana, Roo Mexico, June 3-5

104. Pfeifle T.W., Brodsky N.S., Munson D.I. Experimental Determination of the Relationship Between Permeability and Microfracture - Induced Damage in Bedded Salt.// Proceedings 3rd North American Mechanics Symposium, 1998, Cancun, Quintana, Roo Mexico, June 3-5

105.Shafarenko E.M., Zhuravleva T.Y., Oksenkrug E.S., Tavostin M.N., Shoustrov V.P. Stability of Underground Cavities in Rock Salts. // SMRI, Spring Meet. Cracow, 1997, p. 495-508.

106. Shafarenko E.M., Smirnov V.I., Oksenkrog E.S., Tavostin M.N., Skvortsova Z.N., Traskin Y.N. Rock Salt Creep in Brine Environment // 9 International congress on rock mechanic, 25-28 august 1999, p.225-234.

107.Sokhransky V.B., Ponomarev V.A., Poddubskiy V.I. Geological aspects of the creation of underground gas storages on the territory of Russia// SMRI, Spring Meet. Cracow, - 1997, - p. 509-513.

108.Stormont, J.C., Discontinuous Behavior Near Excavations in a Bedded Salt Formation, International Journal of Mining and Geologic Engineering, 1990, SAND89-2403J,8(1), p.35-36.

109.Thomas L.K., Katz D.L.,Tek M.R. Threshold pressure phenomena in porous media. Soc. Petrol.Ehg.Jorn., 1968, vol. 8, № 2, p. 172-184.

110.Wallner M and W.A. Paar. Risk of Progressive pressure Build up in Sealed cavity. SMRI, Fall meeting, El Pago, 1997, p. 178-188.

151