Исследование физико-механических свойств каменной соли с учетом предварительного всестороннего нагружения

- © М.Н. Тавостин, А.Е. Кошелев,

Ю.В. Осипов, 2015

УДК 622.831

М.Н. Тавостин, А.Е. Кошелев, Ю.В. Осипов ИССЛЕДОВАНИЕ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ СОЛИ С УЧЕТОМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ВСЕСТОРОННЕГО НАГРУЖЕНИЯ

Представлены экспериментальные исследования каменной соли. Данные исследования проводились для решения практических задач по проектированию, строительству и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ), создаваемых в каменной соли. Результаты исследований показали, что при предварительном гидростатическом cжатии и последующем испытании модули деформации и упругости, коэффициент Пуассона, а также прочность образцов возрастает значительно возрастает, по сравнению со стандартными методами исследований. Получены уравнения, которые можно использовать при определении модуля упругости и коэффициента Пуассона каменной соли в сложном напряженном состоянии, зная лишь значения определенные при одноосном сжатии.

Ключевые слова: подземные хранилища газа, горные породы, каменная соль, напряженное состояние горных пород, гидростатическое сжатие.

При постановке экспериментальных исследований для определения модуля деформации, модуля упругости, коэффициента Пуассона, а также объемной прочности в лабораторных условиях, как правило, не учитывают того сложного напряженного состояния, при котором породный образец находился в массиве. Эксперименты, проведение которых регламентируют ГОСТы [1, 2], осуществляют либо в режиме одноосного нагружения или при напряженных состояниях не учитывающих начального поля напряжений в массиве, что можно объяснить достаточно сложным и трудоемким определением деформаций породных образцов в сложном напряженном состоянии. Данные, полученные таким образом, не отражают реальных деформационных и прочностных характеристик породных образцов в массиве, так как при извлечении из массива происходит разгрузка и переход образца в напряженное состояние, не соответствующее его

сложному напряженному состоянию в породном массиве.

В данной работе приведены экспериментальные исследования по определению деформационных и прочностных свойств породных образцов каменной соли при влияния того поля напряжений при котором породные образцы залегали в массиве горных пород. Экспериментальные исследования проводились в Исследовательском лабораторном центре ООО «Газпром геотехнологии». Температурный режим был в пределах 20-24 °С.

Исследования проводились на образцах, изготовленных из керново-го материала Романовской площади Калининградской области скважины 3т с глубины 900-1000 м, а также Россошинской площади Волгоградской области скважины 3т с глубины 1050-1170 м. Образцы из имеющегося кернового материала изготавливались согласно ГОСТам [1, 2] методом выбуривания на буровом станке и вытачивания на токарном станке с

Рис. 1. Камера БВ-21

соотношением диаметра к высоте 1 к 2. Пример изготовленного образца представлен на рис. 1. Высота образцов составляла 80 мм, диаметр 40 мм, а средняя плотность 2,17 г/см3. Всего было испытанно 80 образцов.

Экспериментальные исследования осуществлялись в камере запредельного деформирования БВ-21 (конструкция ВНИМИ), которая размещалась на гидравлическом прессе EU-100 (рис. 1). Камера БВ-21 позволяет в процессе эксперимента непрерывно

измерять продольную е1, поперечные деформации е2, е3 и напряжения ст1, ст2 = ст3 при использовании информационно-измерительного комплекса АС-Теэт.

Первоначальным этапом определялись деформационные свойства. Экспериментальное определение модулей деформации и модулей упругости в сложном напряженном состоянии является достаточно сложной и трудоемкой задачей. С целью получения объективной картины деформирования испытуемых образцов был опробован метод аппликации тензорези-стивных датчиков непосредственно на боковую поверхность образцов. Как следствие половину времени для проведения эксперимента на одном образце занимает его подготовка к испытаниям. Фотография, подготовленного к эксперименту образца, представлена на рис. 2.

На одном и том же образце определялись деформационные характеристики в режиме одноосного сжатия и в сложном напряженном состоянии. При проведении экспериментов образец имел специальную резиновую изоляционную оболочку, обеспечивающую экранирование образца от рабочей жидкости (масла). Последо-

Акти&иые Одноосевэя [сжатие/рзстяжение)

Е" ~ КъЕ

к I МЮффиЦН\н чуы^-гии гельиос и I С«: деформация Е: питание моста с*нГ: выходное ч'!'**

«А'/

деформация: £. Яс.', ИЛ4„

деформация: 0

Рис. 2. Схема формирования мостового соединения на примере образца 112/2 (Рассошенская площадь) с приклеенными и распаянными тензорезисторами

вательность циклов приложения нагрузки к образцам производилась по различным схемам нагружения. Неизменным в схемах нагружения является следующее (рис. 3):

• нагрузка образца только в режиме одноосного сжатия в упругой зоне и последующая разгрузка (участки 1 рис. 3);

• образец обжимался гидростатическим давлением, т.е. со всех сторон компонентами напряжений ст1 = ст2 = ст3 (рис. 3, участки 2). Далее образец выстаивался при гидростатическом сжатии в течение времени, при котором происходила стабилизация показаний датчиков. Наглядно это показано на участке 3 рис. 3. Считая данное значение условно равным 0, или фоновым по отношению к последующему осевому нагружению, производится деформирование образца до такого значения осевого давления, чтобы разность между фоновым и фактическим составляла такое же, как и в режиме одноосного нагружения без гидростатического сжатия (без разрушения), т.е. происходит нагружение образца по классической схеме Кармана ст1 > ст2 = ст3. Максимальное значение гидростатического сжатия вычислялось по формуле:

ст1 = ст2 = ст3 = р-д-И, где р - плотность вышележащих горных пород, кг/м3; И - глубина извлечения по-

ч» 6« МО 1009 1МЙ »СО 1ЫХ) 19» о Вд — о С{ Время, с

Рис. 3. Последовательность циклов нагружения образцов: а) 91-1

Образец 2013-2

-0.002 -0,001 0.000 0.00 1 0.002 0.003 0,004 0.005 0.000 0,007

о Е] о С1

Образец 200-2

о, ото

1ДИ

одам о Виз О дао

4*

Ид, 5АТО2 ы

0,0004 О.ОМЕ

одаэ в, вою 0,0013

-0,001 о.ооо 0.М1 ода ода ода ода ода ода

£1

Рис. 4. Полная диаграмма деформирования образца 200-2

Таблица 1

Модули деформации породных образцов каменной <

родного образца, м; д - ускорение свободного падения;

• далее происходило равнозначное понижение гидростатического давления, т.е. значение ст1 = ст2 = ст3 было меньшим, чем предыдущее. Понижение гидростатического давления производилось на определенное значение, заданное в начале эксперимента или в зависимости от поведения образца в ходе эксперимента. Далее производилось нагружение образца осевым давлением как описано выше. Наглядно это показано на участке 4 рис. 3.

Для испытанных образцов строились полные диаграммы деформирования ст1 = Де-р е2) и е2 = /(е1) (рис. 4). Коэффициент Пуассона определялся при обработке графика е3 = /(е1), а модуль упругости - при обработке графика зависимости ст1 = /(е1). Значение модуля упругости образца и коэффициента Пуассона рассчитывается как среднее арифметическое по циклам «разгрузка» при заданном цикле приложения нагрузок.

№ образца Е , МПа Е МПа

3т67-1-с(3) 4099 12 954

3т86-1 11 019 -

3т91-1с(5) 6366 12 187

3т92-1-с(3) 8268 14 288

3т100-2-с(3) 12 408 22 906

3т109-2-с(5) 11 150 24 566

3т122-3-с(3) 16 831 26 126

Е , МПа лгп' 10 020 18 838

Таблица 2

Зависимость модуля упругости от бокового сжатия

№ образца = МПа

0 5 10 15 20 24

Модуль упругости Еу, МПа 56-1 28 535 33 232 34 002 34 328

100 23 101 31 390 33 192 33 356

223-3 28 976 31 700 32 969 33 544 35 184

78-1 24 608 25 079 28 356 29 990 33 580

84-2 27 395 31 391

223-2 30 794 33 580 36 167

112-1 29 831 37 554

112-2 29 675 38 004

200-2 26 756 35 861

217-1 32 249 38 622

223-1 34 618

77-2 31 460 38 306

Еу , МПа -7 сп' 28 489 30 558 32 130 32 621 33 505 36 789

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

№ об- °2 = , МПа

разца 0 5 10 15 20 24

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

Пуассона V 100 0,229 0,256 0,261 0,270

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

84-2 0,237 0,240

223-2 0,204 0,245 0,259

112-1 0,204 0,238

112-2 0,283 0,289

200-2 0,182 0,255

217-1 0,184 0,229

223-1 0,258

77-2 0,143 0,239

V 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

38000 37000 звпоо 35000

з^ооо

и

с

2 33ООО й

32000

31 ооо зоооо

23000 23000

0,26

А

г = 0, №25

.

10 12 11 <у2 = о3, МПа

16 20 22 24

0.25

I 0.24 о

и о Я

Г

£053 5

/ г 0,92В 3

< /

-2 0 2 4

10 12 14 16 18 20 22 24 26 02 М11а

Рис. 5. Зависимость модуля упругости (левый график) и коэффициента Пуассона (правый график) от бокового давления

Полученные значения модулей деформации представлены в табл. 1. Значение модуля упругости и коэффициента Пуассона в зависимости от бокового обжатия приведены в табл. 2 и 3.

Графическая зависимость значений модуля упругости и коэффициента Пуассона от бокового обжатия представлена на рис. 5. Уравнение для аппроксимирующей прямой зависимости Е = Дстч) следующее: у 3

Еу = {

Уравнение для аппроксимирующей прямой зависимости V = Дст3) следующее:

v = /

После установления закономерности однозначного влияния начального гидростатического сжатия на деформационные свойства породных образцов каменной соли, исследовались за-

кономерности влияния данного поля на прочностные свойства породных образцов, с целью сравнительного анализа построенных паспортов прочности при различных схемах приложения нагрузки.

Последовательность приложения нагрузки к образцам производилась по двум различным схемам нагружения.

1. Первая схема нагружения осуществлялась согласно ГОСТ [2]. Режим испытаний образцов заключается в создании предварительного гидростатического давления до заданного бокового напряжения, а затем, при поддержании бокового напряжения постоянным, образец нагружается осевым давлением. Схематически график нагружения и разрушения представлен на рис. 6.

2. Вторая схема нагружения заключалась в том, что образец обжимался гидростатическим давлением, т.е. со всех сторон компонентами главных напряжений ст1 = ст2 = ст3 (рис. 7, участок 1). Максимальное значение гидростатического сжатия вычислялось по формуле:

ст1 = ст2 = ст3 = р-д-И,

где р - плотность вышележащих горных пород, кг/м3; И - глубина извлечения породного образца, м; д - ускорение свободного падения.

Далее образец выстаивался при гидростатическом сжатии в течение времени, при котором происходила стабилизация показаний датчиков, измеряющих нагрузки. Затем боковое давление понижалось на определенную величину (заданную вначале эксперимента) и поддерживалось постоянным, пока образец не разрушится. Осевая нагрузка на образце в этот же промежуток времени повышалась вплоть до разрушения.

По результатам произведенных испытаний образцов по двум схемам на-гружения определялись предельные

значения осевой нагрузки, а так же величина бокового давления, при котором произошло разрушение образца. По полученным данным строились паспорта прочности при двух схемах нагружения. Результаты построения паспортов прочности представлены на рис. 9-10.

Анализируя полученные данные видно, что значение модуля деформации возрастает до 90%; значение модуля упругости - до 30%; коэффициента Пуассона - до 30%; значение объемной прочности - до 9% по сравнению со стандартными методами испытаний. Следовательно, необходим переход от стандартных методов испытаний к методу испытаний с предварительным гидростатическим сжатием, а также необходимо дальнейшее

Время

Рис. 6. Схема нагружения образца по ГОСТ 21153.8-88

Время

Рис. 7. Последовательность нагружения образцов в экспериментах при начальном гидростатическом сжатии по II схеме

Bn рая cx< № нап ужения

v

23 \

TO -

"TS1—~ f / Перва« схема (агрути ния

toif

-5 0 5 10 15 20 25 т

МШ

Рис. 8. Сравнение паспортов прочности образцов скважины 3т Россошинской площади Волгоградской области, испытанных по двум схемам нагружения

изучение влияния поля напряжений, при котором находился породный образец в массиве на его физико-механические свойства. Полученные уравнения (1), (2) можно использовать

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Mm Е торэяс хемэ н: кружен —s. «

"23- _ \

20

13 \riep я я схе A 3 НЭГр жения

7

/ f

-5 0 5 10 15 20 25

Рис. 9. Сравнение паспортов прочности образцов скважины 3т Романовской площади Калининградской области, испытанных по двум схемам нагружения

при определении модуля упругости и коэффициента Пуассона каменной соли в сложном напряженном состоянии, зная лишь значения определенные при одноосном сжатии.

Тавостин Михаил Николаевич - доцент, МГИ НИТУ «МИСиС», начальник ИЛЦ ООО «Газпром геотехнологии»,

Кошелев Александр Евгеньевич - научный сотрудник, ИЛЦ ООО «Газпром геотехнологии», Осипов Юханна Владимирович - младший научный сотрудник, ИЛЦ ООО «Газпром геотехнологии».

UDC 622.831

STUDY OF PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF ROCK SALT WITH THE TENTATIVE COMPREHENSIVE LOADING

Tavostin M.N., Assistant Professor, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», Head of Research and Testing Center of LLC «Gazprom geotechnology», Moscow, Russia, Koshelev A.E., Researcher, Research and Testing Center of LLC «Gazprom geotechnology», Moscow, Russia, Osipov Yu.V., Junior Researcher, Research and Testing Center of LLC «Gazprom geotechnology», Moscow, Russia.

The paper presents experimental investigations of rock salt. These studies were carried out for the solution of practical tasks of design, construction and operation of underground gas storages (UGS), created in rock salt. The results showed that pre hydrostatic compression and subsequent testing of the deformation modules and modulus Poisson's ratio, and the strength of samples increases significantly increased in comparison with standard methods of research. Equations are obtained that can be used when determining the elastic modulus and Poisson's ratio of rock salt in complex stress state, knowing only the values defined under uniaxial compression.

Key words: underground gas storage, rock, rock-salt, stressed state of the rocks, hydrostatic compression.