Методика расчета на устойчивость эксплуатационной колонны из полимерного материала в многолетнемерзлых породах
- 1 — Забайкальский государственный университет, Чита, Россия
- 2 — Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита, Россия
Аннотация
Целью работы является разработка методики расчета на устойчивость эксплуатационной колонны кольцевого сечения (трубы) из полимерного материала при освоении месторождений полезных ископаемых методом подземного выщелачивания в многолетнемерзлых породах. Результат достижения поставленной цели ориентирован на определение геометрических параметров трубы, обеспечивающих ее эксплуатационную надежность. Актуальность исследования связана с особенностями внешних воздействий на колонну, например геотехнологической скважины, работающую в массиве многолетнемерзлых пород в условиях дополнительного воздействия от давления льда при замерзании воды в заколонном пространстве. Такое воздействие сопровождается, как правило, деформацией трубы при обжатии ее льдом, что может приводить к смятию трубы, к нарушению технологического процесса и риску загрязнения геологической среды. Предлагаемая методика расчета колонны из полимерного материала заключается в моделировании объектов с применением метода конечных элементов. При этом используются пространственные конечные элементы, с помощью которых моделируются основные взаимодействующие друг с другом элементы геотехнологического природно-техногенного комплекса: труба из полимерного материала, лед в заколонном пространстве и примыкающие к скважине однородные или неоднородные массивы горных пород. Результаты исследования представлены в виде таблиц и мозаик перемещений, в которых отражены напряжения и деформации в элементах расчетной схемы. Анализ полученных результатов подтверждает возможность эксплуатации трубы из полимерных материалов различного технологического назначения в разнообразных условиях криолитозоны, в том числе экстремальных. Выполнена оценка результатов перераспределения давления, создаваемого льдом при замерзании воды в заколонном пространстве, на массив горных пород и колонну. Определены взаимосвязанные деформации массива пород и эксплуатационной колонны при замерзании воды в заколонном пространстве. Установлена необходимость учета свойств массива горных пород при определении давления на колонну. Выявлены условия смятия трубы при различном сочетании ее параметров.
Литература
- Bychkovskii N.N., Gur'yanov Yu.A. Ice construction sites, roads and crossings; Saratovskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet. Saratov, 2005, p. 260 (in Russian).
- Zheleznyak I.I., Stetyukha V.A. Calculation of a polymer pipe on the effect of an external load in the well located in permafrost rock. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. 2018. Iss. 3 (51), p. 113-117. DOI 10.21440/2307-2091-2018-3-121-125 (in Russian).
- Zverev G.V., Tarasov A.Yu. Calculation and analysis of the impact of permafrost on the fastening of well No. 338 of the Vankorskoe field during operation. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Geologiya. Neftegazovoe i gornoe delo. 2013. N 8, p. 41-51 (in Russian).
- Ivanov A.G., Solodov I.N. The choice of casing material for the equipment of production wells for underground leaching. Gornyi zhurnal. 2018. N 7. p. 81-85. DOI: 10.17580/gzh.2018.07.16 (in Russian).
- Kuznetsov V.G. Technique and technology for increasing the life cycle of well support in the permafrost zone (Problems and solutions): Avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk. Tyumenskii gosudarstvennyi neftegazovyi universitet. Tyumen', 2004, p. 50 (in Russian).
- Leonov E.G., Zaitsev O.Yu. Calculation of phase and pressure contents during freezing of water-containing media in borehole annulus and interstring space during freezing. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more. 2005. N 1, p. 10-16 (in Russian).
- Makar'ev L.B., Tsaruk I.I. Mineral resources base of uranium in the southern outskirts of the Siberian formation. Materialy Chetvertogo mezhdunarodnogo simpoziuma «Uran: geologiya, resursy, proizvodstvo», 28-30 noyabrya 2017. Vserossiiskii nauchno-issledovatel'skii institut mineral'nogo syr'ya. Мoscow, 2017, p. 60-61 (in Russian).
- Rudov S.E., Shapiro V.Ya., Grigor'ev I.V., Kunitskaya O.A., Grigor'eva O.I. Mathematical modeling of the compaction of frozen ground under the influence of forestry machines and skidding systems. Sistemy. Metody. Tekhnologii. 2018. N 3 (39), p. 73-78. DOI: 10.18324/2077-5415-2018-3-73-78 (in Russian).
- Medvedskii R.I. Construction and operation of oil and gas wells in permafrost. Мoscow: Nedra. 1987, p. 230 (in Russian).
- Arsent'ev Yu.A., Nazarov A.P., Zabaikin Yu.V., Ivanov A.G. On the calculation of production casing made of polymer materials for permafrost. Aktual'nye problemy i perspektivy razvitiya ekonomiki: Rossiiskii i zarubezhnyi opyt. 2019. N 21, p. 27-32 (in Russian).
- Polozkov A.V. Peculiarities of calculating permafrost hydraulic fracturing pressures and abnormal pressures affecting well support during refreezing. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more. 2000. N 4, p. 14-22 (in Russian).
- Shesternev D.M. D, Verkhoturov A.G. Mining and geological environment of mineral deposits of Transbaikaliea under climate change. Zabaikal'skii gosudarstvennyi universitet. Chita, 2014, p. 227 (in Russian).
- Westermann S., Ostby T.I., Gisnas K., Schuler T.V., Etzelmüller B. A ground temperature map of the North Atlantic per-mafrost region based on remote sensing and reanalysis data. The Cryosphere. 2015. Vol. 9, p. 1303-1319.
- DOI: org/10.5194/tc-9-1303-2015
- Huang A., Su R., Liu Y. Effects of a coupling agent on the mechanical and thermal properties of ultrahigh molecular weight polyethylene/nanosilicon carbide composites. Journal of Applied Polymer Science. 2013. Vol. 129. Iss. 3, p. 1218-1222.
- Kamarainen J. Studies in Ice Mechanics. Helsinki University of Technology. Helsinki, 1993, p. 182.
- Khademi Zahedi R., Shishesaz M. Application of a finite element method to stress distribution in burried patch repaired polyethylene gas pipes. Underground Space. 2019. Vol. 4 (1), p. 48-58. DOI: org/10.1016/j.undsp.2018.05.001
- Wang F., Song Z., Cheng X., Ma H. Patterns and Features of Global Uranium Resources and Production. IOP Conf. Ser.: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 94. Institute of Physics Pablishing (UK), p. 1-7.
- Saunders J.A., Pivetz B.E., Voorhies N., Wilkin R.T. Potential aquifer vulnerability in regions down-gradient from uranium in situ recovery (ISR) sites. Journal of Environmental Management. 2016. Vol. 183, p. 67-83. DOI: 10.1016/j.jenvman.2016.08.049
- Zirakian T., Riahi F., Boyajian D., Mohammadi M., Behravesh A. Stability Performance Assessment of Pipelines under Hydrostatic Pressure. Current Trends in Civil & Structural Engineering. 2019. Vol. 1 (5), p. 1-9. DOI: 0.33552/CTCSE.2019.01.000524
- World distribution of uranium deposits (UDEPO) with uranium deposit classification. International Atomic Energy Agency (IAEA), Austria. Vienna, 2009, p.126.