Инфильтрация флюида в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки

УДК 622.52

В.П. Малюков ИНФИЛЬТРАЦИЯ ФЛЮИДА В КАМЕННУЮ СОЛЬ ПРИКОНТУРНОЙ ЗОНЫ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ

Семинар № 3

п

ри проведении эксперимента на скважине «Этрез» (Франция) получены параметры инфильтрации (проникновения в каменную соль) насыщенного рассола и газа (азота) при соответствующих градиентах давления текущей среды (противодавления) [1]. По этим данным построен график (рис. 1) изменения дебита инфильтрации в каменную соль в зависимости от градиента давления [2]. Важным этапом в понимании протекания процесса инфильтрации является оценка поведения кривой напряжение-деформация (на графике: градиент давления - объем закачки флюида) характеризующаяся определенными закономерностями. При этом на ходе деформационной кривой отражается стадийность деформационного течения. На графике можно выделить три стадии процесса, которые практически схожи и для насыщенного рассола и для газа, несмотря на определенные отличия, и которые характеризуют развитие процесса проникновения флюида в каменную соль при соответствующих градиентах давления.

При инфильтрации рассола в массив происходит дополнительный процесс трещинооб-разования в приконтурной зоне по сравнению с естественной трещиноватостю, так же и на поверхности контура в процессе массопереноса. Трещинообразо-вание рассматривается как процесс накопления повреждений.

При инфильтрации в качестве меры поврежденности рассматривается объем закачанной жидкости.

Разрушение приконтурного массива при инфильтрации является многостадийным кинетическим процессом.

При инфильтрации газа в каменную соль приконтурной зоны подземного резервуара развивается техногенная трещиноватость и возникает дилатансионное рас-

ширение, сопровождающееся увеличением по-рового объема в этом слое. Это приводит к падению порового давления и эффекту засасывания флюида в подвергающийся дилатансии объем. (Характерное свойство зернистой среды - дилатансия, способность расширяться при сдвиге). Такой эффект приводит к резкой периодической смене режимов инфильтрации газа в каменную соль на каждой стадии. Подобный эффект известен и описан в геофизической литературе как «тектоническое нагнетание» [3]. В определенный момент дилатансионное расширение сменяется режимом сжатия.

При отработке подземной выработки в интервале заложения, в массиве каменной соли могут располагаться различные включения карбонатных пород (пропластки, пласты). В работе [4] для карбонатных пород месторождений Татарстана исследовались процессы повышения внутрипорового давления выше начального применительно к закачкам воды в пласт. При анализе результатов исследований за изменением проницаемости образцов при увеличении внутрипорового давления при постоянном внешнем (рис. 2) обнаружены интервалы давления, когда проницаемость остается без изменения (горизонтальные участки на графике). Эти участ-

? Р , МПа /м

1 - и

оп ; 2-

ки названы границами областей упругой, пластичной деформаций и гидроразрыва пласта. Кривые деформируемости породы при росте давления в процессе закачки флюида в каменную соль и карбонатные породы по форме достаточно похожи, за исключением того, что у каменной соли не отмечены горизонтальные переходные участки между различными стадиями процесса.

В зависимости от величины конвергенции и инфильтрации в приконтурной зоне подземной выработки происходит изменение физико-механических свойств в каменной соли.

П.А. Ребиндером открыт эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел при деформациях. Прочность твердого тела значительно понижается, если разупрочнение сопровождается проникновением в растущие трещины раствора, смачивающего поверхность разрушения в процессе ее образования.

При инфильтрации рассола в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки происходит физико-механическое воздействие раствора на породу. При этом снижается поверхностная энергия и понижается прочность породы по каналам проникновения раствора. Раскрываются трещины и поры, порода разрушается по областям минимальной прочности под действием избыточного давления. Основными факторами, определяющими процесс в приконтурной зоне выработки при инфильтрации флюида является рост трещин и разрушение каменной соли. При инфильтрации флюида в каменную соль процесс разупрочнения породы протекает с образованием зон разупрочнения.

В зависимости от свойств горного массива и соотношения величин горного давления и противодавления в выработке изменяется местонахождение флюидового барьера от контура выработки.

При проникновении флюида в приконтур-ный массив каменной соли происходят качественные изменения микроструктуры среды, которые резко меняют ее свойства. На границе передвижения флюида происходят некоторые кинетические процессы, которые определяют скорость движения границы. При этом возникают явления связанные со скачкообразным

изменением свойств среды, напоминающие фазовые переходы.

При инфильтрации в процессе деформирования горная порода испытывает ряд состояний, смена которых происходит в критических точках. По существу в разрушающемся материале возникают синергетические эффекты [5]. Неравновесные процессы, определяющие нелинейное поведение систем, можно описать и в рамках макротермодинамики [6], если учитывать стадийность и иерархичность процессов, а переходы от одной стадии к другой связывать с точками неравновесных фазовых переходов (точками бифуркации). Переход системы из одного состояния в другое называется бифуркацией, а значение параметра, при котором оно происходит - точкой бифуркации.

Идеи о накоплении поврежденности развиты Ю.Н. Работновым в теории ползучести при описании процесса разрушения. Согласно представлениям С.Н. Журкова разрушение твердого тела является кинетическим термо-флуктуационным процессом зарождения микродефектов под воздействием приложенного напряжения [7].

Получены аналитические зависимости для определения параметров точек бифуркации различных стадий процесса инфильтрации рассола в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки.

При инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки происходит увеличение давления и отжим породы в сторону свободной поверхности в дополнение к конвергенции (смещение приконтурной зоны в сторону выработанного пространства). Инфильтрацию флюида в камен-

0,02

0

0

Рис .2 Изменение проницаемости образцов горных пород от внутри

2 0 4

Давление , МП

ную соль приконтурной зоны можно рассматривать как механизм увеличения массоперено-са.

Величина разупрочнения каменной соли приконтурной зоны при инфильтрации зависит от степени заполнения трещинно-порового пространства флюида.

Одним из основных направлений в области геомеханики является разработка методов определения максимального и минимального (буферного) давление флюида в подземной выработке - емкости (при строительстве, эксплуатации, испытании на герметичность и др.) и исследование изменения свойств соли в окрестности выработки (при инфильтрации, конвергенции и др.).

В работе использованы материалы отечественных и зарубежных экспериментальных и теоретических исследований поведения соли в предельных условиях, когда давление подземной выработке повышается или снижается [8;9; Solution Mining Research Institute - SMRI -1999, FALL].

В зарубежных источниках указывается на величину интервала изменения проницаемости каменной соли от 10"21 до 10-19 м2 и выражается идея, что постоянного значения проницаемости соли не существует. Средняя проницаемость каменной соли, измеренная в скважинах, по величине на один или два порядка больше, чем проницаемость образцов керна, отобранных из той же скважины. При проведении испытания в натурных условиях по определению проницаемости в приконтурной зоне скважины установлено, что на расстоянии 0,5 м. от стенки скважины значение зафиксированной проницаемости было ниже 2х10"24 м2, а пористость - 0,2 %.

При инфильтрации флюида в каменную соль ряд явлений протекают совместно: раскрытие трещин, пластические и микропласти-ческие деформации, развитие нарушений структуры из-за взаимодействия флюида и твердой матрицы.

При понижении поверхностного натяжения на границе соль - рассол происходит самопроизвольное проникновение рассола в поликристаллы NaCl с появлением сети жидких меж-зерновых прослоек и образованием в объеме бесконечного перколяционного кластера [10]. Реальное влагосодержание природных солей меньше 0,5%, при средней толщине межзерно-вых прослоек около 10"7 м [11]. Проницаемость каменной соли приконтурной зоны подземной

выработки обеспечивается наличием флюида на межфазных границах.

На Астраханском газоконденсатном месторождении выполнены натурные исследования по изменению деформированного состояния породного массива в окрестностях горной выработки [12]. Процессы массопереноса в подземном резервуаре характеризуются рядом факторов, в том числе смещением контура выработки, обусловленным ползучестью каменной соли (способностью соли пластически деформироваться и течь в направлении меньшего давления), а также протеканием конвергенции и инфильтрации флюида в приконтурный массив каменной соли, в зависимости от соотношений давлений.

В 1980-1984 гг. на территории АГКМ в массиве каменной соли были созданы спецме-тодом подземные резервуары для строящегося газоперерабатывающего завода. К 1990 г. часть подземных емкостей потеряла промышленные объемы. На устье возникло избыточное давление [13].

При расчете необходимых величин противодавления в подземных резервуарах, созданных спецметодом, не рассматривалось влияние инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоне на конвергенцию в процессе повышения давления в выработке. При циклических изменениях давления подземной выработки происходит раскрытие и сжатие трещин в каменной соли приконтурной зоны, соответственно при инфильтрации или истечении флюида из породы. При значении противодавления выше порогового происходит инфильтрация в каменную соль приконтурной зоны, а при снижении давления после инфильтрации происходит ускоренная конвергенция. При этом возникает проблема размещения определенных объемов жидкости, вытекающих из скважины на период отсутствия пункта захоронения. Для снижения темпа конвергенции и предотвращения инфильтрации выполнен расчет по определению величины противодавления. Еще до ввода в эксплуатацию пункта временного хранения радиоактивных отходов, были проведены расчеты по определению давления в выработке для снижения темпа конвергенции на рассолозаполненных подземных емкостях с целью уменьшения выхода на поверхность жидкости.

В настоящее время многие специалисты считают каменную соль приконтурной зоны подземной выработки практически не прони-

цаемой в процессе строительства, эксплуатации, испытания на герметичность.

При инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки в процессе испытаний на герметичность опрессовкой (повышением давления на устье скважины до испытательного) может происходить утечка флюида (рассола и испытательного флюида). При этом понижается уровень раздела испытательный флюид - рассол.

Разрушение каменной соли приконтурной зоны подземной выработки при инфильтрации флюида может приводить к деформации приконтурной зоны, обсадной колонны, ускоренной конвергенции и уменьшению объема подземной выработки, а также другим негативным последствиям. Таким образом, в проблеме воздействия на приконтурную зону объединены технологические, экономические и экологические аспекты. В теоретическом и экспериментальном плане вопрос об инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны подземного резервуара при повышении противодавления изучен недостаточно для различных месторождений.

Инфильтрация флюида в каменную соль приконтурной зоны приводит к существенному увеличению области пластической деформации у стенки подземной выработки.

Существует критическое значение противодавления (критическое давление) при инфильтрации флюида в каменную соль приконтурной зоны, при котором возникает эффективное растягивающее напряжение, которое превышает прочность каменной соли на разрыв

1. Desgree P., Durup J.-G. Behaviour of in situ satl at extremely high pressure levels. International Gas Research conference Cannes, France,1995, pp.240-252.

2. Малюков В.П. Натурные исследования процессов массопереноса в приконтурной зоне подземных резервуаров в каменной соли. - М.: Изд-во МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2002, №11, с. 220-224.

3. Дмитриевский А.Н. , Баланюк И.Е., Карякин А.В., Повешенко Ю.А., Лоджевская М.И. Механизм образования залежей углеводородов. Газовая промышленность, №5, 1999, с. 74-77.

4. Дияшев Р.Н., Костерин А.В., Скворцов Э.В. Фильтрация жидкости в деформируемых нефтяных пластах. Казань, 1999.

5. Хакен Г. Синергетика: иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах - М.: Мир, 1984.

и приводит к раскрытию трещин, разрушению приконтурной зоны выработки (ПЗВ).

Противодавление, при котором начинается инфильтрация флюида в каменную соль приконтурной зоны выработки называется пороговым. Для каменной соли объекта «Этрез» некоторая инфильтрация отмечена при значении градиента давления 0,0145 МПа/м (пороговое давление - 14,06 МПа, это 0,64 от горного давления). Начало инфильтрации отмечено при градиенте давления насыщенного рассола 0,0156 МПа/м (критическое давление - 15,13 МПа, это 0,69 от горного давления).

В отечественной практике при проведении испытаний на герметичность коэффициент надежности по нагрузке принимается 0,85 [14], который для рассматриваемого объекта значительно превышает коэффициент критического давления (0,69), при котором происходит инфильтрация флюида в каменную соль. Не учет коэффициента критического давления приводит к тому, что в процессе испытаний на герметичность при инфильтрации происходит закачка флюида в каменную соль приконтурной зоны, а затем, при падении давления в выработке, происходит истечение флюида из породы.

Проведенные исследования позволили получить величину критического давления, при котором происходит инфильтрация рассола в каменную соль приконтурной зоны подземной выработки. В работе рассмотрены различные аспекты возможного влияния инфильтрации при строительстве, эксплуатации и испытаний на герметичность подземных выработок в каменной соли.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Гладышев Г.П. Термодинамика и макрокинетика природных иерархических процессов. - М.: Наука, 1998.

7. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. - М.: Недра, 1988.

8. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидоме-ханика. - М.: Недра, 1996.

9. Пятахин М.В., Шеберстов Е.В., Бузинов С.Н., Казарян В.П. Упруго-пластическая деформация и разрушение пласта в окрестности цилиндрического открытого забоя при нелинейном законе фильтрации. Подземное хранение газа. Проблемы и перспективы. ВНИИГАЗ. М., 2003, с. 279-304.

10. Скворцова З.Н., Траскин В.Ю. Влияние радиационного облучения на деформацию каменной соли в контакте с рассолом. Геоэкология. М., №1, 2003, с. 70-76.

11. Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К. Физико-механические свойства соляных пород. -Л.: Недра, 1973.

12. Малюков В.П., Федоров Б.Н., Шафаренко Е.М. Натурные исследования устойчивости массива каменной соли в окрестности подземного резервуара.

Международная конференция по подземному хранению газа. М., 1995, Секция С, ч.1, с.93-95.

13. Смирнов В.И. Газ из хранилища всегда выручит. Газовая промышленность, №10, 2003, с. 14-15.

14. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. СП 34-106-98, М., 1999.

__ Коротко об авторах

Малюков В.П. - кандидат технических наук, ООО «Подземгазпром».

------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г. В. ПЛЕХАНОВА

МОЗЕР Сергей Петрович Обоснование рациональных параметров технологии разработки каменной соли на месторождениях купольного типа 25.00.22 к.т.н.

ПЕТРОВ Денис Сергеевич Метод количественной биоиндикационной оценки воздействия горно-промышленного предприятия на речную экосистему 25.00.36 к.т.н

СИДОРЕНКО Андрей Александрович Обоснование параметров системы разработки с подэтажной гидроотбойкой 25.00.22 к.т.н.

--------------------------------------- © М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова,

А.Н. Шишов, 2004

УДК 622.02: 531:538

М.Г. Менжулин, Н.В. Соколова, А.Н. Шишов ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ