Введение к работе
Актуальность исследования. Нефть, газ и продукты их переработки составляют примерно 80% в топливно-энергетическом балансе России. Неравномерность газонефтепотребления, географическая разобщенность районов добычи и переработки углеводородов существенно влияют на надежность транспортно-распределительной системы, повышение которой достигается путем резервирования газонефтепродуктов в каменной соли и других горных породах.
При создании и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) в каменной соли необходимо иметь достоверную информацию о тех соляных залежах, в которых строится и эксплуатируется ПХГ: физико-механические свойства массива соляных пород используются для расчетов устойчивости хранилищ. В процессе экспериментальных исследований по изучению физико- механических свойств соляных пород практически не учитывается история нагружения исследуемого породного образца в массиве, которая в большой степени влияет на его свойства.
В связи с тем, что подземные резервуары в каменной соли эксплуатируются без какого-либо крепления выработки-емкости, то для поддержания устойчивого объема подземного резервуара при его эксплуатации необходимо минимальное противодавление хранимого продукта. Снижение давления буферного газа, при помощи которого создается минимальное противодавление, является экономически выгодным в связи с тем, что буферный газ используется только для поддержания устойчивости подземного резервуара и его стоимость составляет более 20% от общих капитальных затрат при создании и эксплуатации ПХГ.
Результаты расчетов устойчивости подземных резервуаров с использованием физико-механических свойств каменной соли, определенных экспериментальным путем с учетом истории нагружения соляного массива, могут существенным образом повлиять на эксплуатационные параметры ПХГ, в том числе и на давление буферного газа. Следовательно, корректное и точное определение свойств соляных пород представляет одну из первоочередных задач при создании и эксплуатации подземных хранилищ газа.
Решение этой задачи весьма значимо и для проектирования грузонесущих элементов системы разработки на соляных рудниках.
Изложенное выше определяет актуальность настоящей диссертационной работы, посвященной экспериментальному определению свойств породных образцов каменной соли в объемном напряженном состоянии с учетом начального поля напряжений в массиве.
Целью диссертационной работы является обоснование и разработка метода определения механических свойств каменной соли в объемном напряженном состоянии с учетом влияния начального поля напряжений в породном массиве.
Идея работы состоит в предварительном всестороннем сжатии исследуемых образцов давлением, соответствующим начальному полю напряжений в соляном массиве, и последующем объемном нагружении, адекватно отражающем напряженно-деформированное состояние при образовании выработки.
Научные положения, выносимые на защиту:
-установлено, что изучение напряженно-деформированного состояния и процессов разрушения каменной соли методами лабораторного эксперимента следует проводить в объемном напряженном состоянии на образцах, выдержанных при начальном гидростатическом сжатии в течение времени релаксации напряжений (порядка одного часа) давлением, соответствующим тому, при котором находился образец в нетронутом соляном массиве;
-экспериментально установлена закономерность деформирования и
разрушения каменной соли с учетом начального гидростатического поля
напряжений, исследованная на породных образцах с объектов строящихся
подземных хранилищ газа России и Белоруссии: значение модуля деформации
возрастает до 90 %; значение модуля упругости - до 30%; коэффициента
Пуассона - до 30%; значение объемной прочности - до 30%; значение предела длительной прочности - до 30 % по сравнению со стандартными методами испытаний;
-экспериментально обоснован метод определения модуля упругости, модуля деформации, коэффициента Пуассона, объемной прочности и предела длительной прочности породных образцов каменной соли с учетом предварительного всестороннего сжатия давлением, соответствующим начальному полю напряжений в породном массиве.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием при проведении экспериментов современных технических средств измерений, отличающихся высокими метрологическими свойствами, а также применением для обработки получаемой информации современных средств вычислительной техники и специализированного программного продукта;
представительным объемом экспериментальных данных для установления искомых закономерностей, полученных при исследовании более 100 образцов соляных горных пород;
корректностью проводимых экспериментальных исследований с коэффициентом вариации полученных данных при одинаковых термобарических условиях, не превышающим 20%.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-экспериментально доказано, что начальное гидростатическое поле напряжений, соответствующее напряженному состоянию соляного массива, существенным образом влияет на закономерности деформирования и разрушения породных образцов каменной соли;
-впервые определены количественные значения деформационных, прочностных и реологических характеристик породных образцов каменной соли с объектов строящихся подземных хранилищ газа России и Белоруссии, с
учетом предварительного нагружения полем начальных напряжений.
Научное значение диссертации заключается в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях деформирования и разрушения каменной соли в сложном напряженном состоянии.
Практическое значение диссертации состоит в разработке экспериментального метода определения деформационных, прочностных и реологических свойств каменной соли с учетом предварительного всестороннего сжатия давлением, соответствующим начальному полю напряжений в породном массиве.
Реализация выводов и рекомендаций. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ООО «Подземгазпром» для проектирования подземных хранилищ углеводородов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2010г., 2012г.), Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2-3 апреля 2009 г.), Международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 22-24 апреля 2009г.), на научных семинарах кафедры ФГПиП МГГУ и факультета ФТ (2010-2012 гг.), на научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы топливной промышленности в РФ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 143 страницах, содержит 65 рисунков, 27 таблиц, список используемой литературы из 78 наименований.
