автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Обоснование параметров технологии сооружения тоннельных резервуаров в маломощных пластах каменной соли

.. 2 Шо

На правах рукописи

РЕЗУНЕНКО Владимир Иванович

УДК 622.692.24

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В МАЛОМОЩНЫХ ПЛАСТАХ КАМЕННОЙ СОЛИ

Специальность 05.15.04 - «Строительство шахт и подземных сооружений»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и ООО «Научно-исследовательское и проектное предприятие по сооружению и эксплуатации подземных хранилищ «Подземгазпром»

Научный руководитель: док т. техн. наук, проф. ШУПЛИК М.Н.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. БАКЛАШОВ И.В., докт. техн. наук, проф. ИВАНЦОВ О.М.

Ведущая организация - АО «Волгоградстройгаз».

Защита состоится «. .ъ . . .......1998 г.

У у со

в .'.'.... . час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.11 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан «. ff^ . .» .......1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. ШУПЛИК М.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В последние годы в мировом практике резервуа-ростроспия отмечается общая тенденция к преимущественному развитию подземных хранилищ газа (ПХГ) з отложениях каменной соли, отличительной особенностью которых является возможность эксплуатации в «рывко-вом» режиме с производительностью отбора газа, на порядок превышающей темпы отбора из ПХГ в пористых структурах, что особенно важно в промышленно развитых районах для покрытия кратковременной неравномерности газопотребленнк.

Расчеты динамики газопотребления в Российской Федерации показывают, что в период 2000.-2015 гг. по большинству экономических регионов (особенно по Центральному и Северо-Западному) будет иметь место дефицит суточного газопотребления, который может быть покрыт за счет строительства в различных регионах России 10 пиковых ПХГ в солях с суммарной мощностью 270.6 млн. м3/сутки. Помимо указанных экономических предпосылок, в России к настоящему времени разработаны научные, технологические и нормативные основы, необходимые для интенсивного развития в предстоящие 10-15 лег строительства ПХГ в отложениях каменной соли.

Сооружение ПХГ обычно осуществляется методом растворения каменной соли через вертикальные скважины вдоль их вертикальной оси. Однако применение такой технологической схемы, для которой в основном и разработана научная и нормативная база, экономически эффективно лишь до определенной мощности пластов соли порядка 50 м, ниже которой капитальные затраты на единицу объема хранилища возрастают до величин, когда хранилище становится нерентабельным. В то же время на территории России, в том числе в районах с большим дефицитом суточного газопотребления (например, в Центральном), имеются соленосные бассейны, в которых отсутствуют мощные пласты соли, но имеются большие по площади маломощные пласты.

■ Выполненные в России за последние 35 лет научные проработки, включающие крупномасштабные эксперименты, подтвердили возможность сооружения в маломощных пластах каменной соли резервуаров тоннельного типа, имеющих при сравнительно небольших размерах поперечного сечения значительные геометрические объемы. Однако, до сих пор не проведены опытно-промышленные испытания такой технологии и не разработаны

научно-методические и нормативные основы ее применения. Решению з гой актуальной научно-технической задачи посвящена настоящая работа.

Цель работы заключается в установлении закономерностей формообразования тоннельных резервуаров с устойчивыми размерами выработанного пространства и разработке рекомендаций по технологии их сооружения.

Идея работы состоит в том, что при проектировании тоннельных резервуаров по результатам физического моделирования технологии их сооружения в качестве определяющего параметра предлагается предельный пролет поперечного сечения резервуара, обеспечивающий устойчивость резервуара и определяющий его конструктивные параметры.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и ношпна:

1. Сформулировано условие соблюдения критериев подобия при моделировании процесса формообразования тоннельных резервуаров, которое заключается в том, что растворимость воздуха в рассоле под определенным давлением должна быть равна или выше растворимости воздуха в воде при атмосферном давлении, и определено минимальное давление в сооружаемом тоннельном резервуаре, исключающее выделение воздуха из рассола.

2. Строительный объем тоннельного резервуара может быть определен по результатам контроля технологических параметров и плотности каменной соли и рассола, для чего предложена соответствующая функциональная зависимость, позволяющая также оценить погрешность такого определения, если известна погрешность инструментального измерения соответствующих параметров; показано, что при существующей контрольно-измерительной технике погрешность определения строительного объема составляет 8-10%.

3. Снижение несущей способности и увеличение проницаемости соляного массива, вмещающего одиночный тоннельный резервуар, определяется, главным образом, развитием в кровле резервуара области неупругих деформаций в форме хрупкого разрушения с образованием трещин отрыва и возможным вывалообразованием, для определения размеров которой получена функциональная зависимость.

4. Сооружение двух и более тоннельных резервуаров не приводит к заметному росту областей неупругих деформаций в кровле и почве каждого из них, но приводит к увеличению областей пластического течения в междукамерных целиках, которое снижает несущую способность целиков и вме-

щающего соляного массива в целом и для оценки которого получена функциональная зависимость.

Обоснованность п достоверность научных положений, ш.пюдоп и рекомендации, содержащихся и работе, нодтисрждасчсн:

- применением апробированных методов механики сплошной среды »теории подобия;

- комплексным характером работы, включающей теоретические исследования и экспериментальную проверку на крупномасштабных моделях;

- результатами оценки погрешности экспериментально определяемых коэффициентов скорости растворения каменной соли.

Научное значенне диссертации заключается в дальнейшем развитии существующих представлений о закономерностях формообразования тоннельных резервуаров и процессах разрушения вмещающего соляного массива.

Практическое значение диссертации состоит в разработке рекомендаций по проектированию конструктивных параметров и технологии сооружения тоннельных резервуаров.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Сформулированные в работе выводы и рекомендации реализованы при разработке нормативно-методического документа ПБ-08-83-95 «Правила обустройства и безопасной эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли», при проектировании опытно-промышленного тоннельного резервуара объемом 350 тыс. м3для Волгоградского ПХГ.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме по подземным хранилищам (Ганновер, ФРГ, 1994 г.), Международной конференции «Подземное хранение газа» (Москва, 1995 г.), заседаниях ученого совета ДП НТЦ «Подземгазпром» (1996 г. и 1997 г.), семинаре кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ (1997 г.), заседании секции Круглого стола «Неделя горняка» в МГГУ (1998 г.).

Публикации: По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 66 наименований и содержит 19 рисунков, 130 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта строительства и эксплуатации ПХГ, в результате которого отмечена устойчивая тенденция к преимущественному развитию пиковых ПХГ в отложениях

каменной соли, общий объем которых в странах с наиболее развитой сетыо ПХГ(США, Канада, Германия, Франция, Польша) составляет около 24240 млн. м3 активного газа. Строительство пиковых ПХГ в странах б. СССР существенно отстает по темпам: за последние 30 лет в отложениях каменной соли построено единственное ПХГ (Армения) с общим объемом 240 млн. м3 активного газа.

Анализ перспектив газопотребления в России показывает, что его непокрытый дефицит (млн. м'/сутки) составит по годам: 2000 г. - 429.9; 2005 г. -295.5; 2010 г. - 210.7; 2015 г. - 230.7. К настоящему времени в России сложились экономические условия, разработаны научные, технологические и нормативные основы, необходимые для интенсивного развития в предстоящие 10-15 лет строительства пиковых ПХГ в отложениях каменной соли.

В геологическом отношении территория России обладает огромным потенциалом для создания ПХГ в отложениях каменной соли. Ниже в таблице 1 приведена рациональная дислокация и мощности строящихся, проектируемых и перспективных пиковых ПХГ в отложениях каменной соли на территории России.

Таблица 1

Пиковые ПХГ Глубина залегания кровли соляных пластов, и Мощность соляных пластов, и Геометрические объемы ПХГ, тыс. м3 Суммарные объемы активного газа, млн. м1 Мощности ПХГ, млн. м'/сутки

Калининградское (строящееся) 860 140 5600 800 30.0

Волгоградское (строящееся) 1150 1340 60 120 4350 800 30.0

Березниковское (проектируемое) 411-444 76-166 6300 600 13.0

Тульское (проектируемое) 950 46-50 3000 400 37.6

Смоленское (проектируемое) 835 50 4800 600 30.0

Серпуховское (перспективное) 1007 50-60 2200 300 30.0

Сереговское (перспективное) 300 826 6500 1000 30.0

Шедокское (перспективное) 990 162 2200 300 30.0

Ангарское (перспективное) 950 40-50 3000 400 20.0

Братское (перспективное) 910- 1100 73-78 3000 400 20.0

6 целом по России 40950 5600 270.6

Как видно из таблицы, солспосиые бассейны в районах размещения Волгоградского, Тульского, Смоленского, Серпуховского п Ангарского ПХГ имеют пласты соли относительно малой мощности 40-60 м, где сооружение вертикальных резервуаров экономически неэффективно из-за их малого геометрического объема: капитальные затраты на сооружение единицы объема ПХГ достигают значений, когда оно становится нерентабельным. В пластах соли с мощностью менее 50-60 м целесообразно сооружение тоннельных резервуаров, имеющих при сравнительно небольших размерах поперечного сечения значительные геометрические объемы.

Отечественными учеными и специалистами выполнен большой объем теоретических исследований, лабораторных и натурных экспериментов в производственных условиях, обобщены и проанализированы данные производственного опыта строительства и эксплуатации ПХГ в отложениях каменной соли. Полученные результаты, которые обобщены и наиболее полно рассмотрены Смирновым В.И., позволили разработать нормативно-методические документы н материалы, регламентирующие проектирование и строительство вертикальных резервуаров в каменной соли. При этом исследования по технологии строительства тоннельных резервуаров на сегодняшний день выполнены только на уровне крупномасштабного эксперимента и требуют опытно-промышленной проверки с последующей разработкой необходимых нормативно-методических документов, регламентирующих их проектирование.

Планомерные исследования по технологии сооружения тоннельных резервуаров были начаты Иванцовым О.М. и Головкиным М.Ш. сравнительно недавно в 1961 г. Значительный вклад в разработку этой технологии и ее моделирование внесли Васюта Ю.С., Игошин А.И., Казарян В.А., Мазуров В.А., Малюков В.П., Поздняков А.Г., Самохин В.И. Первые исследования по устойчивости тоннельных резервуаров проведены Шафаренко Е.М.

Выполненный обзор существующих исследований позволил сформулировать следующие основные задачи настоящей диссертационной работы:

- анализ существующих технологических схем сооружения тоннельных резервуаров с целью выбора оптимальной схемы для опытно-промышленного внедрения;

- анализ и обобщение крупномасштабного физического моделирования процессов формообразования тоннельных резервуаров:

- установление дополнительных критериальных соотношений для моделирования процессов формообразования тоннельных резервуаров;

- разработка рекомендаций по определению технологических параметров сооружения тоннельных резервуаров;

- математическое моделирование геомеханических процессов деформирования и разрушения вмещающего соляного массива;

- расчет устойчивых геометрических размеров и конструктивных параметров тоннельных резервуаров применительно к условиям Волгоградского ПХГ;

- расчет технологических параметров сооружения тоннельных резервуаров применительно к условиям Волгоградского ПХГ.

Во второй главе проанализированы технологические схемы сооружения тоннельных резервуаров, которые подразделены на односкважинные и двухскважинные. В свою очередь односкважинная схема может быть реализована с «постоянной длиной растворения» при обратной и прямой циркуляции воды и рассола (с подачей воды через торец рабочей колонны или через перфорационные отверстия) или с «отступающими участками», которая имеет определенные преимущества по сравнению с указанными выше вариантами односкважинной схемы. Двухскважинная схема также может быть с «постоянной длиной растворения» при прямой и обратной циркуляции воды и рассола и с «отступающими участками». Двухскважинная схема с «отступающими участками» на сегодняшний день является наиболее предпочтительной по сравнению с другими вариантами двухскважин-ной и односкважинной схем растворения, так как обеспечивает наиболее высокую концентрацию выдаваемого рассола и формообразование резервуара с равновеликими поперечными сечениями, применима в том числе для наклонных пластов каменной соли, не осложняет технологию извлечения рабочей колонны, подающей воду, а также по тому, что имею тся достаточно надежные экспериментальные данные физического моделирования процесса формообразования тоннельного резервуара, сооружаемого по данной технологической схеме.

Выполнен анализ результатов физического моделирования процесса формообразования резервуаров. В результате первых экспериментов, проводившихся в лабораторных и натурных условиях по односкважинной схеме растворения, были установлены некоторые закономерности формообразования,

одна нз которых заключается в том, что относительно низкое давление в сооружаемом резервуаре приводит в выделению из рассола воздуха, который скапливается в верхней части резервуара и сдерживает развитие поперечных сечений вверх, формируя плоскую потолочину, менее устойчивую по сравнению со сводчатой. Вторая серия крупномасштабных натурных экспериментов моделировала двухскважинную схему растворения с «отступающими участками». Наибольший интерес для последующего анализа представляют результаты эксперимента, в котором были созданы четыре резервуара-модели объемом 3-6 м3 пятыо «отступающими участками». Так например, вторая модель, которая является наиболее представительной, имела объем У=5.42 м-», длину 1=7.5 м и была сформирована за 240 часов при производительности выдачи рассола <3=0.15 м3/час и его средней концентрации С=287 кг/м3.

Выполнено обобщение результатов крупномасштабного моделирования по формированию четырех выше указанных резервуаров-моделей. Установлены следующие параметры формообразования тоннельных резервуаров при двухскважиннон схеме растворения с «отступающими участками»: равновеликие поперечные сечения по длине резервуара; сводчатая кровля поперечных сечений, которая была достигнута в эксперименте созданием в формируемой выработке-модели давления, исключающего выделение воздуха из рассола; клинообразное днище с углом наклона его плоскостей к горизонту 32+35°; постоянное по длине резервуара отношение высоты

поперечного сечения И к: его полупролету ^1пр, равное 1.8. В качестве оптимальных технологических параметров, обеспечивающих указанные параметры формообразования, определены: производительность растворения (} = 0.12 0.5 м3/час; число технологических этапов (участков) растворения 5, при котором отношение длины резервуара 1 к полупролету

его поперечного сечения ^ 1пр составляет 15; количество извлекаемой соли

на этапах от первого до последнего составляет в среднем 7.7, 12.0, 16.8, 25.5 и 38% от общего количества извлекаемой соли. При регламентированной производительности растворения формирование тоннельного резервуара с равновеликими поперечными сечениями достигается регулированием двух технологических параметров: числа этапов растворения и количества соли, извлекаемой на каждом из этапов.

Проанализированы ранее установленные критерии подобия, используемые при физическом моделировании процессов формообразования тоннельных резервуаров, и сформулированы рекомендации по расчету геометрических и технологических параметров формообразования при проектировании резервуаров. Показано, что расчет начинается с определения линейного мас-

L"

штабного множителя Х = где L" и L" - характерные линейные размеры

соответственно модели и натуры. В качестве характерного линейного размера может быть взят один из линейных размеров проектируемого резервуара: пролет 1пр или высота h, которые жестко связаны между собой указан-

2h

ным выше соотношением т-= 1.8 и должны определяться в результате гео-

1пр

механических расчетов, как предельные величины, обеспечивающие устойчивость и долговечность резервуара. Далее с помощью критериев подобия определяются все геометрические параметры проектируемого резервуара: линейные размеры, как произведение соответствующих линейных размеров выработки-модели на Я; площадь поперечного сечения, как произведение площади поперечного сечения выработки-модели на X2; объем, как произведение объема выработки-модели на X3. Производительность выдачи рассола при сооружении проектируемого резервуара определяется как произведение соответствующей производительности при сооружении выработки-

К н

модели на X2 и на отношение где км и к" - коэффициент скорости

К

растворения каменной соли соответственно в модели и натуре. Продолжительность сооружения проектируемого резервуара определяется как произведение соответствующей продолжительности при сооружении выработки-

К"

модели на Л и на отношение ——. При этом должно соблюдаться равенство

К

плотности каменной соли и равенство концентраций выдаваемого рассола в модели и натуре.

В результате исследований, выполненных в диссертации, сформулировано условие соблюдения критерия подобия

к' м к" 11 К» К'"

где К™ и к" - коэффициенты скорости растворения каменной соли боковой поверхности полости соответственно в модели и натуре (м/с); к" и К}! - коэффициенты скорости растворения каменной соли горизонтальной поверхности (потолочины) полости соответственно в модели и натуре (м/с), которое можно рассматривать как дополнительное критериальное соотношение при моделировании процессов формообразования тоннельных резервуаров, представляющее первое научное положение диссертации: при определенной температуре I растворимость воздуха в рассоле модели \\'р,м(0 и натуры \у'ц(0 под определенным давлением Р должна быть равна или выше растворимости воздуха в пресной воде лу0'(() при атмосферном давлении, т.е.

Растворимость воздуха в рассоле можно представить в виде:

%Ур(0= \Уо1(1)Ра10-К5(,)п1, (3)

где Р - давление (атм); а - коэффициент, учитывающий растворимость воздуха в воде при повышенном давлении; К50) - коэффициент Сеченова для воздуха, зависящий от температуры (м3/кмоль); ш - мольная концентрация

с

ИаС1 в рассоле (кмоль/м3), равная г; С - концентрация ЫаС1 в рассоле

58.45

(кг/м3). После подстановки (3) в (2) получим минимальное предельное давление, исключающее выделение воздуха из рассола при сооружении резервуара в натуре и модели:

-. (4)

а

Расчеты по формуле (4) дают следующую зависимость предельного давления от температуры:

I, °С - 0; 25; 45; 65;

Р, атм - 7.8; 6.4; 5.4; 4.6.

При сооружении промышленных тоннгльных резервуаров в глубоко-залегающих (глубины 1000-1500 м) пластах каменной соли указанные давления

всегда обеспечиваются. При физическом моделировании необходима проверка выполнения условия (4).

Поскольку технологические параметры формообразования тоннельных резервуаров существенно зависят от коэффициента скорости растворения каменной соли, приведены методические рекомендации по его экспериментальному определению, включая статистическую обработку результатов эксперимента.

Технологические параметры, найденные в результате расчетов, определяют технологию сооружения тоннельных резервуаров и в процессе их строительства постоянно контролируются с помощью контрольно-измерительной техники. Результаты этого контроля могут быть использованы для аналитического определения строительного объема (вместимости) тоннельных резервуаров. Из баланса масс соли, растворенной в процессе сооружения резервуара, выданной на поверхность вместе с рассолом и оставшейся в резервуаре, получена расчетная формула для определения строительного объема V (м3) сооружаемого тоннельного резервуара по результатам измерений технологических параметров:

V- т-<?-С, 1-ф-А

р(у"-Ср) 1-9 , (5)

где т - время подачи воды в строящийся резервуар (ч);<2- средняя производительность подачи воды в резервуар (м3/ч); СЕ - средняя концентрация рассола, выданного из резервуара (кг/м3); ср - средний объем нерастворимых породных включений в соляном массиве (доли единицы); ун- плотность каменной соли в массиве (кг/м3); А - коэффициент разуплотнения нерастворимых породных включений, оседающих на дно резервуара (доли единицы); Р - отношение средней производительности подачи воды в резервуар к средней производительности выдачи рассола (доли единицы):

в у« <У(у"-уср)

у1(- средняя плотность выданного рассола (кг/м3); у„- средняя плотность подаваемой воды (кг/м3); уср- средняя плотность рассола, находящегося в резервуаре в конце его сооружения (кг/м3).

Строительный объем резервуара V является функцией многих экперимсп-тальпо определяемых (контролируемых) параметров, т.е. является функцией вида

относительная погрешность которой определяется известным выражением:

где п - количество контролируемых параметров; ДХ| - абсолютная погрешность экспериментального определения параметра X,.

Таким образом установлено, что строительный объем сооружаемого тоннельного резервуара может быть оценен по результатам контроля технологических параметров, плотности каменной соли и рассола, а погрешность такой оценки зависит от погрешности экспериментального определения указанных параметров и при использовании общепринятой контрольно-измерительной техники не превышает 8-10%, что является вторым научным положением диссертации.

В третьей главе анализируется геомеханическое состояние вмещающего тоннельные резервуары соляного пласта. Выше отмечалось, что определяемые по критериям подобия параметры проектируемых тоннельных резервуаров зависят от линейного масштабного множителя X, пли от величины характерного линейного размера резервуара, в качестве которого могут быть приняты величины пролета, высоты поперечного сечения резервуара, ширина междукамерного целика. Последние должны обеспечивать сохранение несущей способности и проницаемости соляного массива, т.е. должны определяться из анализа геомеханического состояния массива с учетом следующих нормативных ограничений: мощность ненарушенных соляных целиков в кровле и почве резервуара - не менее 5 м; ширина ненарушенной час ти междукамерного соляного целика - не менее величины пролета резервуара; максимальная величина относительного объема вывалообразования из кровли - 3.4%, что определено расчетным путем из требований нормативных документов к параметрам вертикальных резервуаров.

Анализ геомеханического состояния вмещающего массива выполнялся методами математического моделирования в два этапа: анализировалось напря-

у = Г(Х,.Х1.....X.),

(7)

(8)

жешюс состояние массива численным методом граничных интегральных уравнений с учетом характерной формы контура и взаимного влияния соседних резервуаров; анализировались процессы возможного разрушения массива методом упругого наложения при условии предельного состояния каменной соли в следующем виде, учитывающем объемное напряженное состояние:

т 1„ = 0.04 • - 0.55 ■ а сж ■ а „„, (9)

где т„,.т и а - соответственно октаэдрические касательные и нормальные напряжения в массиве, вычисленные на первом этапе анализа (сжимающие напряжения приняты отрицательными, растягивающие - положительными); стсж - предел прочности вмещающих пород на одноосное сжатие.

Граничные условия при составлении расчетной схемы и с учетом принятого правила знаков формулировались следующим образом: в массиве на бесконечности имеет место равнокомпонентное поле начальных нормальных напряжений, равных (-уН), где у - удельный вес вмещающих пород и Н - глубина заложения резервуара; па контуре резервуара действует противодавление газа (-Р). Расчеты выполнялись в следующей последовательности: в заданных точках поверхности резервуара и массива через главные напряжения определялись т„„ и в единицах уН, а затем подставлялись в условие предельного состояния (9), откуда определялись величины отноше-у УН/

ния к.р = 1 уа 1 при которых массив в данных точках перехедит в состояние

неупругого деформирования.

Вначале расчеты выполнялись для одиночного резервуара при нулевой величине противодавления газа. Анализ результатов этих расчетов позволил сделать следующие выводы: в кровле резервуара, где сжимающие напряжения о по абсолютной величине меньше начальных сжимающих напряжений уН, сдвиг по октаэдрическим площадкам сопровождается деформациями растяжения, т.е. неупругое деформирование реализуется в форме хрупкого разрушения с образованием трещин отрыва и возможным выва-лообразованием, что в конечном итоге определяет несущую способность и проницаемость массива вокруг резервуара; в почве, бортах и торцах резервуара, где сжимающие напряжения по абсолютной величине больше уН, сдвиг сопровождается деформациями сжатия, т.е. неупругое деформирование реализуется в форме пластического течения. Эти выводы легли в основу третьего научного положения диссертации.

Аналогичные расчеты выполнялись для противодавлений газа, отличных от нуля. Все полученные результаты расчетов были обработаны методами нелинейного регрессионного анализа, позволившими построить расчетные выражения для определения максимальных относительных (в единицах полупролета поперечного сечения резервуара Ь) размеров областей неупругого деформирования в кровле и почве Ьр„ резервуара по вертикальной оси симметрии его поперечного сечения:

Показано, что погрешность результатов расчетов по формулам (10) и (11) по отношению к результатам решения упруго-пластической задачи в постановке плоской деформации, выполненной методом конечных элементов с учетом перераспределения напряжений при разрушении, составляет: для кровли - 10%, для почвы - 25%.

С использованием выражения (10) была построена расчетная зависимость для оценки относительного объема вывалообразования в кровле резервуара Ув (в единицах объема резервуара V):

Для подземного хранилища газа, состоящего из 2, 4 и 6 резервуаров, расчеты выполнялись в аналогичной постановке при ширине междукамерных целиков Ьц, равной пролету резервуаров 2Ц и пулевом противодавлении газа в резервуарах (Р=0). Анализ результатов расчетов позволил сделать следующие выводы: механическое состояние наиболее нагруженного центрального целика практически не изменяется при увеличении количества резервуаров более 6; наблюдаемая при сооружении ряда резервуаров разгрузка соляного массива препятствует развитию областей неупругих деформаций в кровле и почве резервуаров и может привести к изменению характера неупругих деформаций в их почве - от пластического деформирования к хрупкому разрушению; для определения размеров областей неупругих де-

(10)

(II)

(12)

формаций в этом случае могут быть использованы с допустимой погрешностью расчетные выражения (10) и (11); в результате пригрузки массива увеличиваются размеры областей пластического течения и бортах резервуаров, т.е. в междукамерных целиках, что снижает несущую способность вмещающего массива в целом.

При оценке механического состояния массива по ширине наиболее нагруженного центрального целика проводились расчеты суммарных размеров облас тей пластического течения (со стороны обоих примыкающих к нему резервуаров) Ьр11 при различных ширине целиков Ь„ и величине противодавления газа Р. В итоге с использованием методов нелинейного регрессионного анализа построена соответствующая функциональная зависимость:

Результатом этих исследований является четвертое из защищаемых научных положений, которое в сокращенном изложении сводится к тому, что несущая способность соляного массива, вмещающего ПХГ из нескольких резервуаров, определяется, главным образом, несущей способностью разделяющих резервуары целиков.

Далее приводятся рекомендации по определению максимально допустимых высоты и пролета поперечного ссчеиия отдельного тоннельного резервуара и минимально допустимой ширины междукамерных целиков в ПХГ, разработанные на основе указанных выше нормативных ограничений и расчетных формул (10) - (13), скорректированных с учетом указанной выше погрешности метода упругого наложения.

В четвертой главе излагаются рекомендации по проектированию конструктивных параметров и технологии сооружения тоннельных резервуаров, т.е. процедура использования полученных расчетных формул в конкретном проектировании, которая включает: выбор технологической схемы сооружения резервуаров; формулировку г.о результатам физического моделирования исходных данных для расчета технологических параметров сооружения резервуаров применительно к выбранной технологической схеме; определение коэффициентов скорости растворения каменной соли натуры (Км); определение прочностных параметров каменной соли натуры (величин пре-

(13)

дела длительной прочности в^,); определение в результате геомеханических расчетов устойчивых высоты (11м) и пролета (II,1,,) поперечного сечения отдельного резервуара, ширины целиков (1|/) между резервуарами в ПХГ; определение конструктивных параметров отдельного резервуара (площади поперечного сечения Б", объема V" и длины !"); определение технологических параметров сооружения каждого из резервуаров (длины технологического этапа производительности по рассолу С}", продолжительности сооружения т", концентрации выдаваемого рассола С" и количества добытой соли О"); оценку погрешности расчетного определения строительного объема отдельного резервуара (ДУ1У) и экономической эффективности предлагаемого проектного решения.

Предлагаемые рекомендации иллюстрируются расчетами конструктивных и технологических параметров сооружения опытно-промышленного тоннельного резервуара в пласте каменной соли мощностью 60 м для Волгоградского ПХГ . Выбор технологической схемы сооружения резервуара сделан на основе приведенного во второй главе анализа в пользу двухсква-жинной схемы с «отступающими участками» через две скважины, вертикальную и наклонно-горизонтальную. Применительно к данной расчетной схеме по результатам крупномасштабного физического моделирования сформулированы исходные данные для расчета конструктивных и технологических параметров проектируемого резервуара: высота резервуара-модели Им= I м и пролет потолочины 1.1 м, длина резервуара-модели 1М = 7.5 м при длине технологического этапа 1.5 м, площадь поперечного сечения 5М = 0.74 м2 и объем резервуара-модели Ум=5.42 м3, производительность по рассолу <3М= 0.15 м3/час, средняя концентрация выдаваемого рассола на последнем этапе растворения См= 306 кг/м3, количество добытой при сооружении резервуара-модели соли См= 10.02 т, продолжительность его сооружения тм = 241 час. Величины коэффициента скорости растворения и предела длительной прочности каменной соли натуры определены по результатам проведенных в ДП НТЦ «Подземгазпром» лабораторных испытаний на 23 образцах из геологоразведочной скважины 1 -Р Россошинской площади Волгоградского ПХГ в интервале глубин заложения проектируемого резервуара 1149.2 - 1213.4 м. Приведенные к средней температуре процесса растворения 23°С величины коэффициента скорости растворения составн-

ли: для модели К$3)= 0.0457 м/час, для натуры K.|J3) =0.0452 м/час. Величины предела длительной прочности каменной соли а и интервале глубин заложения резервуара составили: 9.3 МПа - в среднем по мощности соляного пласта, 11.4 МПа - в верхней части пласта, 8.7 МПа - в средней части пласта и 8.6 МПа - в нижней части пласта. В результате геомсхаиических расчетов приняты: высота поперечного сечсиия отдельного резервуара h" = 40 м при максимально допустимой высоте, равной 42.5 м, пролет поперечного сечения 1^= 44 м, длина резервуара 1"= 300 м, ширина междукамерных целиков между резервуарами в ПХГ 1"= 55 м при минимально допустимой ширине, равной 53.7 м. При величине линейного масштабного множителя "к. = 40 площадь поперечного сечения опытно-промышленного резервуара S" и его об^ем У"составляют соответственно 1190 м2 и 350 000 м2. Технологические параметры сооружения резервуара с такими конструктивными параметрами будут следующими: длина технологического этапа 1»'= 60 м, производительность по рассолу Q11=: 240 м3/час, средняя концентрация выдаваемого рассола на последнем технологическом этапе С"= 306 кг/м3, количество добытой при сооружении резервуара соли Gl<:= 758 000 т, продолжительность сооружения резервуара т"= 406 суток.

Выполнена оценка погрешности расчетного определения строительного объема проектируемого резервуара, которая составляет 8% и которую обеспечивают замеры технологических параметров с использованием общепринятой контрольно-измерительной техники.

Далее приводятся рекомендации по технологии сооружения опытно-промышленного резервуара, в которых рассматриваются: порядок проведения работ по бурению наклонно-горизонтальной скважины; формирование выработки-мишени, предназначенной для сбойки вертикальной и наклонно-горизонтальной скважины; формирование выработки-емкости; режим работы вертикальной скважины, который предусматривается сближенно-пря-моточньш для формирования резервуара с равновеликими поперечными сечениями по всей его длине; вопрос контроля формы резервуара в процессе его сооружения.

Экономическая эффективность предлагаемых проектных решений оценивается по отношению к базовому варианту сооружения вертикальных резервуаров с таким же суммарным геометрическим объемом. Расчет дисконтированных денежных потоков по двум вариантам показывает, что уровень

доходности вложенного капитала по предлагаемому варианту в 1.24 раза больше при большей в 1.26 раза внутренней норме прибыли и меньшем в 1.17 раза сроке окупаемости вложений, чем по базовому варианту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно обоснованные технологические разработки по сооружению тоннельных резервуаров в маломощных пластах каменной соли, обеспечивающие решение важных прикладных задач подземного хранения газа.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. В результате анализа существующих технологических схем сооружения тоннельных резервуаров в маломощных пластах каменной соли сделаны выводы в пользу двухсквадинной технологической схемы с «отступающими участками», которая рекомендована для сооружения опытно-промышленных резервуаров в условиях Волгоградского ПХГ.

2. На основе обобщения результатов крупномасштабного физического моделирования процессов формообразования тоннельных резервуаров при двух-скважинной технологической схеме с «отступающими участками» сформулированы исходные данные для проектирования конструктивных и технологических параметров сооружения тоннельных резервуаров в условиях Волгоградского ПХГ.

3. Установлены дополнительные критериальные соотношения для моделирования процессов формообразования тоннельных резервуаров, заключающиеся в том, что растворимость воздуха в рассоле под определенным давлением должна быть равна или выше растворимости воздуха в воде при атмосферном давлении, и определено минимальное давление в зависимости от температуры процесса, при котором не будет происходить выделение воздуха, искажающее формообразование резервуаров.

4. На основе разработанной методики оценки погрешности определения строительного объема тоннельных резервуаров по количеству выданной на поверхность соли доказано, что при использовании общепринятой контрольно-измерительной техники погрешность составляет 8-10%.

5. В результате математического моделирования механических процессов в соляном массиве, вмещающем одиночный тоннельный резервуар, установлено, что его устойчивость определяется развитием неупругих дефор-

маиий массив а, реализующихся: в почве, бортах к торцах резервуара - в форме пластического течения; и кровле резервуара - в форме хрупкого разрушения с образованием трещин отрыва, которое в большей степени, чем пластическое течение, увеличивает проницаемость массива, снижает его несущую способность, формируя, в конечном итоге, вывадообразо-вание в кровле.

6. В результате математического моделирования механических процессов в соляном массиве, вмещающем ПХГ из тоннельных резервуаров, установлено, что сооружение двух и более резервуаров сопровождается разгрузкой массива в кровле и почве каждого из них, препятствующей развитию неупругих деформаций, реализующихся в форме хрупкого разрушения, и нагру-жением массива в бортах резервуаров, приводящим к росту областей пластического течения в междукамерных целиках, снижению их несущей способности и, в конечном итоге, снижению несущей способности и увеличению проницаемости вмещающего ПХГ соляного массива.

7. Разработаны методические рекомендации по проектированию конструктивных параметров и технологии сооружения тоннельных резервуаров в маломощных пластах каменной соли, которые использованы для проектирования опытно-промышленных резервуаров объемом 350 тысяч кубических метров каждый для условий Волгоградского ПХГ в пласте мощностью 60 метров на глубине 1200 метров.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Rezunenko V.l., Smirnov V.l., Kazaryan V.A. Underground Natural Gas Storages in Russia. Petroleum Economist (a special report), London, 1994. Pp. 58-60.

2. Rezunenko V.l., Smirnov V.l. Rock Salt Underground Storages. Presented at the SMRI Fall Meeting. Hannover, Germany, 1994. Pp. 581-590.

3. Резуненко В.И., Казарян В.А., Смирнов В.И. Практика и перспективы развития подземных хранилищ газа в отложениях каменной соли на территории России. Доклад на международной конференции «Подземное хранение газа». М., Газпром, 1995. С. 5-11.

4. Смирнов В.И., Казарян В.А., Игошин А.Н., Резуненко В.И. и др. Правила обустройства и безопасности эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли. ПБ-08-83-95. М., Госгортехнад-зор России, 1995. - 79 с.

5. Rcmizov V.V., Rczuiiciiko V.I., Parfjonov V.I., Smirnov V.I., Kazaryxm V.A. Prospects of Undeground Gas Storage Construction in Rock Salt Deposits of Russia. SMRI Spring Meeting. Cracow, Poland, 1997. Pp. 475-480.

6. Поздняков А.Г., Резуненко В.П. Моделирование подземных резервуаров в каменной соли. Газовая промышленность, № 10, 1997. С. 41-42.

7. Резуненко В.И. Тоннельный резервуар для Волгоградского ПХГ. Газовая промышленность, № 12, 1997. С. 30-32.

8. Смирнов В.И., Резуненко В.И., Хлопцов В.Г. Геомеханическое обоснование проектных решений тоннельных резервуаров. Газовая промышленность, №2, 1998. С. 45-47.