Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГЕОТЕХНОЛОГИЯХ
РАСТВОРЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Краткие сведения о месторождениях солей и их составе 10
1.2 Существующие физико-химические технологии извлечения
полезных ископаемых из недр и современные направления их развития ...11
Описание методов ФХГ 11
Понятия «растворение» и «выщелачивание» 12
1.3 Технологии растворения каменной соли при создании подземных
хранилищ углеводородов 14
1.3.1 Особенности технологий сооружения подземных хранилищ 14
1.2.3 Технология строительства подземных резервуаров (ПХГ) в
каменной соли 20
Моделирование технологических процессов создания подземных хранилищ 23
Экологические аспекты создания, использования и эксплуатации подземных хранилищ в соляных отложениях 24
1.3.4 Тенденции и перспективы использования растворения солей и
сооружений, созданных на основе этого метода 26
1.4 Использование растворения при добыче каменной соли на
рассолопромыслах 28
Разрушение солей при прорыве подземных вод на соляных рудниках .31
Лабораторные исследования растворения солей и их механических характеристик 34
Виды испытаний солей 34
Механические испытания солей 37
1.6.3 Экспериментальное определение коэффициента скорости '
растворения каменной соли на образцах керна 38
1.6.4 Управление процессами растворения и деформирования солей ....42
Обогащение солей сложного состава 42
Измерения и контроль на натурных объектах 43
Постановка задач исследования 48
2 РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
ПРИ РАСТВОРЕНИИ СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД 58
Технические требования к лабораторной установке и методике исследования акустической эмиссии при растворении соляных горных пород 58
Экспериментальная установка с измерительной системой на базе отечественного прибора АФ-15 и аналого-цифрового преобразователя SC-512 59
2.3 Экспериментальная установка на базе системы A-Line 32D, методика
проведения измерений и обработки результатов 61
2.4 Экспериментальная установка на базе расширенного варианта
системы A-Line 32D 64
2.5 Методика проведения эксперимента в лабораторной установке №3 68
Подготовка эксперимента 68
Измерение и регистрация показаний в процессе эксперимента 70
2.5.3 Обработка показаний при определении изменений веса и
скорости растворения 73
2.6 Программное обеспечение для проведения измерений и их
обработки 74
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 77
3 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ РАСТВОРЕНИИ
СОЛЯНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД 78
Параметры и характеристики, регистрируемые и рассчитываемые в экспериментах, и их оптимизация 78
Образцы для моделирования процессов растворения каменной соли и описание эксперимента 80
Определение минимального количества сигналов, обеспечивающего статистическую стабильность оцениваемых спектров сигналов АЭ 81
3.3 Выбор оптимальной длительности и количества отсчетов при
регистрации сигналов АЭ 84
3.4 Влияние нерастворимых примесей на спектры сигналов
акустической эмиссии при растворении соляных горных пород 88
3.5 Определение содержания нерастворимых примесей по сигналам
акустической эмиссии 94
4 ВЗАИМОСВЯЗЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И СКОРОСТИ
РАСТВОРЕНИЯ СОЛЯНЫХ ПОРОД 99
4.1 Описание условий экспериментов 99
4.2 Определение коэффициента скорости растворения каменной соли
путем непрерывных измерений веса образца в процессе растворения 101
Особенности методик определения коэффициента скорости растворения 101
Определение изменений объема и площади поверхности с помощью фотосъемки и последующих преобразований 105
4.2.3 Расчет изменений объема и площади поверхности 108
4.2.4 Расчет зависимости «мгновенного» коэффициента скорости
растворения от времени 111
4.3 Анализ особенностей изменения веса в ходе растворения образцов
соляных пород 116
4.3 Закономерности изменения активности акустической эмиссии при
растворении каменной соли 121
Анализ общего хода зависимостей ААЭ и стадийность процесса121
Особенности временных вариаций ААЭ 128
4.4 Особенности характеристик АЭ, рассчитываемых по полной
форме сигналов 131
4.4 Особенности характеристик АЭ, рассчитываемых по полной
форме сигналов 132
4.4.1 Амплитудные распределения 132
Локация источников АЭ на различных стадиях процесса растворения 136
Изменения спектров сигналов АЭ на различных стадиях процесса растворения 140
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 146
5 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА АЭ ПРИ РАСТВОРЕНИИ
СОЛЕЙ 148
5.1 Воздействия на соляные горные породы при их растворении в
геотехнологиях 148
5.2 Активность АЭ при растворении деформированного и
ненарушенного образцов соли 149
5.3 Сравнительный анализ спектров сигналов АЭ на различных стадиях
деформирования образцов соли 154
5.4 Сравнение спектров сигналов АЭ при механическом
деформировании и растворении соли 155
5.5 Сравнение спектров сигнала АЭ, возникающих при растворении
ненарушенного и деформированного образцов 157
5.6 Установление деформационной предыстории соляных горных пород 160
5.6 Влияние температуры на активность АЭ при растворении каменной
соли 165
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 175
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с необходимостью сглаживания пиков потребления углеводородного сырья при постоянной его добыче в последнее время резко возрастает необходимость развития сети подземных хранилищ углеводородов в соляных отложениях. Технологическими регламентами и нормативными документами предусмотрено предпроектное проведение изыскательских работ, целью которых является определение ряда технологических характеристик соляных горных пород. К ним относятся коэффициент скорости растворения, содержание нерастворимых примесей (их количество не должно превышать 35%), а также отсутствие зон тектонических нарушений в месте будущего строительства подземного резервуара. Определение таких характеристик производится на основе однократных опытов и дает ос-редненные значения. В то же время растворение соляных пород является сложным нестационарным процессом, и скорость растворения меняется во времени. Следует учесть также ограниченный объем кернового материала ввиду сравнительно небольших мощностей соляных залежей, встречаемых в России. Все это определяет необходимость разработки новых методов, основанных на непрерывных измерениях, позволяющих исследовать растворение соляных горных пород более тщательно и повышать точность измерения. К ним относится метод акустической эмиссии, применение которого для контроля растворения соляных горных пород до сих пор было ограничено. Указанные факторы определяют актуальность выбранной темы, предусматривающей разработку акустоэмиссионного метода определения технологических характеристик соляных горных пород при их растворении.
Исследования в рамках настоящей диссертационной работы проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-05-65063-а).
Целью работы является установление закономерностей изменения во времени параметров акустической эмиссии соляных горных пород при растворении и повышение точности определения технологических характеристик пород на основе этих закономерностей.
Идея работы заключается в использовании результатов непрерывных во времени наблюдений изменений веса и сигналов акустической эмиссии при растворении образцов соляных горных пород для определения их физико-технических и технологических характеристик.
В работе решаются следующие задачи:
разработка лабораторных установок для исследования акустической эмиссии и других процессов при растворении соляных горных пород;
обоснование способа определения коэффициента скорости растворения по непрерывным измерениям веса и акустической эмиссии соляных горных пород в процессе их растворения;
исследование минимального количества сигналов АЭ при их спектральном анализе, необходимого для получения статистически представительных оценок;
исследование особенностей стадийности процесса растворения соляных пород;
установление закономерностей и зависимостей параметров акустической эмиссии при растворении соляных горных пород от процентного содержания нерастворимых примесей;
обоснование способа определения предыстории деформирования соляных горных пород, позволяющего распознавать зоны геологических нарушений по параметрам акустической эмиссии при растворении соляных горных пород.
Методы исследований включают экспериментальные лабораторные исследования АЭ в соляных горных породах при их растворении и деформировании, а также спектральный и статистический анализ результатов экспериментов.
Основные научные положения.
Установлено, что для получения стабильных обобщенных характеристик спектров акустической эмиссии при растворении соляных горных пород необходимо их усреднение по сигналам в количестве не менее 20, причем оптимальное количество сигналов находится в пределах от 20 до 50; меньшее значение приводит к несостоятельности оценок, а большее - к увеличению требуемого интервала наблюдения и сглаживанию особенностей каждой стадии.
При увеличении содержания нерастворимых примесей в соляных горных породах возрастает доля высокочастотных составляющих спектров сигналов акустической эмиссии, что позволяет рассчитать процентное содержание нерастворимых примесей, s, по нормированным по максимуму амплитудам спектральных составляющих сигналов АЭ, при этом для амплитуд ^бо> ^80, ^юо на частотах 60, 80 и 100 кГц соответственно эта зависимость имеет вид s = -0,43 + 8,81 Д,0 + 7,66 Д,0 + 0,56 А100 при коэффициенте корреляции/? = 0,88.
Процесс растворения соляных горных пород может быть разделен на стадии, отличающиеся друг от друга среднеквадратическим отклонением вариаций скорости растворения, скорости изменения активности акустической эмиссии, амплитудными распределениями и спектральными характеристиками сигналов АЭ, причем для повышения точности определения коэффициента скорости растворения следует исключать первую, нестационарную стадию.
Деформационная предыстория соляных горных пород может быть оценена параметром удельной АЭ, характеризующей количество импульсов АЭ при растворении образца породы в расчете на 1 г уменьшения его веса, при этом для деформированной породы эта величина не менее чем в 2 раза превышает указанное значение для недеформированной, что позволяет выявлять зоны нарушенностей по извлеченным из этих зон образцам.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
обеспечением достаточного объема экспериментальных выборок при статистических оценках временных и спектральных характеристик АЭ;
использованием для проведения лабораторных экспериментов аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками и методик, подтвердивших достоверность результатов при других исследованиях;
использованием проверенных математических методов статистики и стандартного базового программного обеспечения для написания программ обработки, а также положительными результатами тестирования программ.
Новизна исследования:
установлены новые закономерности, доказывающие стадийность процесса растворения соляных горных пород;
впервые разработан акустоэмиссионный метод определения технологических характеристик соляных горных пород при их растворении, таких как коэффициент скорости растворения и содержание нерастворимых примесей;
- доказана возможность определения деформационной предыстории
соляных горных пород по параметрам сигналов акустической эмиссии при
растворении.
Научное значение работы состоит в получении с помощью непрерывных акустоэмиссионных и гравитационных наблюдений новых закономерностей, дающих дополнительные знания в понимании физики процесса растворения соляных горных пород.
Практическая ценность работы. Выводы и рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, позволяют повысить точность определения коэффициента скорости растворения, содержания нерастворимых примесей и деформационной предыстории соляных пород и тем самым провести уточнение технологии создания подземных хранилищ углеводородов в соляных отложениях.
Реализация результатов работы. По результатам работы составлены «Методические рекомендации по определению технологических характеристик соляных горных пород при их растворении с использованием акусто-эмиссионных измерений».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2005-2006 гг.), XV, XVI, сессиях Российского акустического общества (2004-2007 гг.), Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2004 г.), Международной конференции по применению компьютерной техники в горном деле АРСОМ (Москва, МГГУ, 1997 г.), Международной конференции по горной геофизике (С.-Петербург, ВНИМИ, 1998 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 по перечню ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, включает 14 таблиц, 58 рисунков, список использованных источников из 124 наименований.
Автор выражает глубокую признательность руководителю диссертационной работы докт. техн. наук, профессору Вознесенскому Александру Сергеевичу за полученные навыки ведения научной работы и знания и аспиранту кафедры ФТКП Вильямову С. В. за помощь при проведении лабораторных экспериментов.
