Бул изилдөө кайра жаралуучу энергия системалары менен бирге барган сайын маанилүү болуп жаткан жер астындагы энергия сактоону жана өзгөчө туз үңкүрлөрүндө суутек сактоону геомеханикалык коопсуздук жагынан карайт. Күн жана шамал сыяктуу кайра жаралуучу булактар дайыма бирдей көлөмдө энергия өндүрбөйт. Ошондуктан ашыкча электр энергиясын жашыл суутекке айландыруу жана бул суутекти чоң көлөмдө коопсуз сактоо энергетикалык системалардын келечеги үчүн маанилүү деп эсептелет. Туз үңкүрлөрү бул максат үчүн күчтүү талапкер, анткени туз тектин өткөрүмдүүлүгү өтө төмөн, ал жарым-жартылай өзүн-өзү калыбына келтирүү жөндөмүнө жана ылайыктуу механикалык жүрүм-турумга ээ.

Бирок изилдөөнүн негизги эскертүүсү мындай: Туз үңкүрлөрү салттуу түрдө жылына бир же аз сандагы жай толтуруу-бошотуу циклдери менен иштетилсе коопсуз калышы мүмкүн; бирок кайра жаралуучу энергиянын термелүүсүн теңдөө үчүн суутекти көбүрөөк жыштыкта айдап киргизүү жана өндүрүү жүргүзүлсө, үңкүрдүн айланасындагы туз тек кыйла оор термо-механикалык чарчоого дуушар болот. Газды айдап киргизүүдө кысылуу себептүү үңкүрдүн ичиндеги температура жогорулайт. Газды чыгарууда болсо кеңейүү жана Joule-Thomson эффектинин айынан температура тез төмөндөйт. Туз тектин жылуулук өткөрүмдүүлүгү төмөн болгондуктан, бул температура өзгөрүүлөрү үңкүр дубалына жакын тар аймакта топтолуп, кайталанма жылуулук чыңалууларын жаратат.

Изилдөөчүлөр бул көйгөйдү түшүндүрүү үчүн классикалык Burgers сойлоп деформациялануу моделин өркүндөткөн. Жаңы модель температурадан улам серпилгич модулдун алсырашын, Arrhenius мыйзамы боюнча илешкектүүлүктүн өзгөрүшүн, чыңалуунун өсүшү сойлоп деформацияланууну тездетишин жана микро жаракалар топтолуп, зыянды күчөтүшүн бирге карайт. Модель лабораториялык масштабдагы туз үңкүрү эксперименттери, акустикалык эмиссия өлчөөлөрү, газдын агып кетишин көзөмөлдөө жана 30 жылдык сандык симуляциялар менен текшерүүгө аракет кылынган.

Изилдөөнүн негизги жыйынтыгы абдан так: Жылына 1 айдап киргизүү-чыгаруу цикли изилденген JK8-6 Jintan туз үңкүрү үчүн 30 жылдын аягында коопсуз көрүнөт. Жылына 2 циклде жергиликтүү түзүмдүк туруксуздук коркунучу байкала баштайт. Жылына 3 циклде болсо топтолмо зыян фактору кеңири аймактарда 0,5 инженердик босого маанисинен ашып, макроскопиялык жарака тармагы, герметикалуулуктун жоголушу жана суутектин миграция коркунучу олуттуу өсөт.

Бул табылга суутек сактоо системаларын көлөм, басым жана экономикалык кубаттуулук боюнча гана эмес, иштетүү жыштыгы боюнча да долбоорлоо керек экенин көрсөтөт. Бир эле үңкүр жылына бир цикл менен коопсуз иштесе, жылына үч цикл менен узак мөөнөттө кооптуу болуп калышы мүмкүн. Ошондуктан туз үңкүрүндө суутек сактоо кайра жаралуучу энергия тармактарына кошулганда “көбүрөөк жыштыкта иштетүү көбүрөөк ийкемдүүлүк берет” деген логика менен эмес, тектин чарчоосу, термалык шок, сойлоп деформациялануу жана герметикалуулуктун жоголушу бирге бааланып башкарылышы керек.

Изилдөөнүн негизги көйгөйү эмнеде?

Бул изилдөөнүн борборунда энергия трансформациясынын өтө маанилүү, бирок көп учурда көз жаздымда калган көйгөйү турат: Чоң көлөмдө жашыл суутек өндүрүү канчалык кыйын болсо, аны узак убакыт коопсуз сактоо да ошондой татаал. Шамал жана күн энергиясы электр өндүрүшүндө тез өсүп жатат, бирок табияты боюнча туруксуз. Күн түнкүсүн өндүрбөйт, булуттуу күндөрдө өндүрүш азаят; шамал болсо дайыма бирдей ылдамдыкта сокпойт. Энергия системасы тең салмакта болушу үчүн ашыкча өндүрүш сакталууга жана зарыл учурда кайра пайдаланылууга тийиш.

Жашыл суутек ушул жерде маанилүү чечим катары каралат. Ашыкча кайра жаралуучу электр энергиясы электролиз аркылуу суутекке айландырылат. Андан кийин суутек өнөр жайда, транспортто, энергия өндүрүүдө же сезондук энергия сактоодо колдонулушу мүмкүн. Бирок суутекти чоң көлөмдө сактоо үчүн жер үстүндө резервуар куруу көп учурда жетиштүү жана экономикалык эмес. Ошондуктан жер астында сактоо, өзгөчө туз үңкүрлөрү ири масштабдагы суутек сактоо үчүн күчтүү геологиялык вариант катары каралат.

Туз үңкүрлөрү табигый же жасалма түрдө пайда кылынган чоң жер астындагы боштуктар. Туз тектин өткөрүмдүүлүгү өтө төмөн, башкача айтканда газдын тек аркылуу агып кетиши кыйын. Мындан тышкары туз тек убакыт өтүшү менен пластикалык/сойлоп деформациялануу жүрүм-турумун көрсөтүп, микро жаракаларды жабууга жана өзүнүн герметикалуулугун жарым-жартылай сактоого жөндөмдүү. Бул касиеттер туз үңкүрлөрүн жаратылыш газын, кысылган абаны жана суутекти сактоо үчүн баалуу кылат.

Бирок изилдөө кайра жаралуучу энергия менен интеграцияланган суутек сактоодо салттуу эксплуатация шарттары өзгөрөрүн баса белгилейт. Классикалык газ сактоо үңкүрлөрү көбүнчө сезондук режимде иштейт: жылдын белгилүү мезгилинде толтурулуп, башка мезгилде бошотулат. Мындай иштетүү режиминде басым жана температура өзгөрүүлөрү жайыраак жана сейрек болот. Кайра жаралуучу энергиянын термелүүсүн теңдөө үчүн колдонулган суутек сактагычтарында болсо көбүрөөк жыштыкта айдап киргизүү жана чыгаруу талап кылынышы мүмкүн. Бул үңкүрдүн айланасындагы туз тектин жогорку жыштыктагы жүктөө-бошотуу жана жылуулук кеңейүү-жыйрылуу циклдерине дуушар болушуна алып келет.

Изилдөөнүн негизги суроосу ушул жерде пайда болот: Туз үңкүрүндөгү суутек сактоо системасы кайра жаралуучу энергия тармагынын тез-тез термелүүсүн жабуу үчүн жылына бир нече жолу толтурулуп-бошотулса, үңкүрдүн айланасындагы тек 30 жыл бою герметикалык жана түзүмдүк жактан коопсуз кала алабы?

Жогорку жыштыктагы иштетүү эмне үчүн кооптуураак болушу мүмкүн?

Жогорку жыштыктагы айдап киргизүү-чыгаруу үңкүрдүн айланасындагы текте бир учурда эки негизги таасирди күчөтөт: механикалык чарчоо жана термалык чарчоо.

Механикалык жагынан үңкүрдүн ичиндеги газ басымы айдап киргизүүдө жогорулап, чыгарууда төмөндөйт. Басым көбөйгөндө үңкүр дубалы сыртка карай түртүлөт; басым азайганда айланадагы текке берилген таяныч төмөндөйт. Бул үзгүлтүксүз жүктөө-бошотуу туз тектин сойлоп деформацияланышына жана чыңалуунун кайра бөлүштүрүлүшүнө таасир берет. Бир циклде майда көрүнгөн деформациялар ондогон жылдар бою топтолгондо үңкүрдүн көлөмүнүн кичирейишине, айланадагы текте жаракалардын өнүгүшүнө жана жергиликтүү туруксуздукка алып келиши мүмкүн.

Термалык жагында газдын жүрүм-туруму татаалыраак. Айдап киргизүүдө жогорку басымдагы газ үңкүргө толуп жатканда кысылуу жана жылуулук топтолуу пайда болот. Бул үңкүрдүн ичиндеги температураны жогорулатат. Газ чыгарылганда кеңейип, Joule-Thomson эффектинин айынан муздайт. Ошондо үңкүрдүн температурасы тез төмөндөйт. Демек, бир циклде үңкүр дубалы адегенде ысыйт, андан кийин муздайт.

Туз тектин жылуулук өткөрүмдүүлүгү төмөн болгондуктан, бул температура өзгөрүүсү үңкүрдөн алыс аймактарга тез тарабайт. Жылуулук алмашуу негизинен үңкүр дубалына жакын жука термалык таасирленген аймакта топтолот. Бул тар зонада тек кайра-кайра ысыйып-муздаганда кайталануучу термалык кеңейүү жана жыйрылуу чыңалуулары пайда болот. Бул чыңалуулар микро жаракаларды баштап, мурда бар жаракаларды чоңойтуп жана убакыт өтүшү менен герметикалык тосмону алсыратышы мүмкүн.

Ошондуктан жогорку жыштыктагы эксплуатация “ошол эле аракетти көбүрөөк кайталоо” гана эмес. Ар бир цикл үңкүр дубалында кичине механикалык жана термалык зыян изин калтырат. Циклдердин саны өскөн сайын бул издер биригип, түзүмдүк коопсуздукту аныктаган критикалык зыян деңгээлдерине жетиши мүмкүн.

Концептуалдык энергетикалык система схемасы эмнени көрсөтөт?

Изилдөөнүн башындагы концептуалдык энергетикалык система схемасы кайра жаралуучу электрден жашыл суутекке, андан жер астындагы сактоого чейинки тизмекти көрсөтөт. Шамал жана күн сыяктуу үзгүлтүктүү булактардан келген электр энергиясы электр тармагы менен байланыштырылат. Ашыкча электр электролиз системаларында суутек өндүрүү үчүн колдонулат. Өндүрүлгөн суутек чоң көлөмдө жана узак мөөнөткө сактоо үчүн жер астындагы туз үңкүрлөрүнө жөнөтүлөт. Кийинчерээк суутек зарыл болгондо энергетикалык системага кайра берилет.

Бул схема изилдөө эмне үчүн тек механикасы гана эмес, энергия системасынын коопсуздугу менен да байланыштуу экенин көрсөтөт. Эгер суутек сактоочу үңкүр коопсуз иштебесе, кайра жаралуучу энергияны интеграциялоо үчүн керек болгон ийкемдүүлүк да алсырайт. Башкача айтканда, жер астындагы текке келген зыян жер үстүндөгү энергия тармагынын ишенимдүүлүгүнө кыйыр түрдө таасир этиши мүмкүн.

Мезгилдүү айдап киргизүү-чыгаруу механизми кантип түшүндүрүлөт?

Изилдөөдө берилген эксплуатациялык механизм схемасы газды айдап киргизүү жана чыгаруу учурунда үңкүр дубалында пайда болгон зыян жолдорун жыйынтыктайт. Айдап киргизүү баскычында газдын басымы жана температурасы жогорулайт. Чыгаруу баскычында басым төмөндөйт, газ кеңейет жана үңкүрдүн температурасы түшөт. Бул цикл үңкүр дубалына жакын жерде кайталанган термалык чыңалууларды жана механикалык жүк өзгөрүүлөрүн жаратат.

Схемада өзгөчө үч коркунуч бөлүнүп көрсөтүлөт:

• Көлөмдүн кичирейиши: Туз тектин сойлоп деформациялануусунан улам үңкүрдүн көлөмү убакыт өткөн сайын азайышы мүмкүн.
• Созулуу жана кесүү зыяндары: Термалык шок жана чыңалуунун кайра бөлүштүрүлүшү жергиликтүү созулуу жаракаларын же кесүү зыяндарын жаратышы мүмкүн.
• Герметикалуулуктун жоголушу: Микро жаракалар биригип макроскопиялык жарака тармагына айланса, суутектин миграциясы жана газ агып кетүү коркунучу көбөйөт.

Бул жерде изилдөөнүн маанилүү билдирүүсү бар: Туз үңкүрүндө коопсуздук үңкүр кулап калдыбы же жокпу деген суроо менен гана өлчөнбөйт. Үңкүр геометриялык жактан туруктуу көрүнсө да, айланадагы тектеги микро жаракалардын тармагы герметикалуулукту бузса, сактоо коопсуздугу коркунучка туш болот. Суутек молекуласынын кичине болушу жана герметикалуулукка жогорку талап бул коркунучту өзгөчө сезимтал кылат.

Классикалык Burgers модели деген эмне?

Туз тек узак убакыт жүк алдында болгондо заматта сынгандын ордуна акырындык менен формасын өзгөртөт. Бул жүрүм-турум сойлоп деформациялануу деп аталат. Жер астындагы туз үңкүрлөрүндө сойлоп деформациялануу өтө маанилүү, анткени үңкүрдүн айланасындагы туз тек жылдар бою жай кыймылдап, үңкүрдүн көлөмүн кичирейтет жана чыңалуу талаасын кайра бөлүштүрөт.

Классикалык Burgers модели сойлоп деформацияланууну түшүндүрүү үчүн колдонулган вискоэластикалык модель. Ал Maxwell элементи менен Kelvin элементинин сериялык байланышынан түзүлөт. Maxwell элементи заматта серпилгич реакцияны жана узак мөөнөттүү илешкек агымды билдирет. Kelvin элементи болсо кечигип пайда болгон серпилгич деформацияны түшүндүрөт.

Туруктуу чыңалуу астындагы классикалык Burgers сойлоп деформациялануу байланышы төмөнкүдөй жазылат:

\[ \varepsilon(t)= \frac{\sigma}{E_1} + \frac{\sigma}{\eta_1}t + \frac{\sigma}{E_2} \left( 1-e^{-\frac{E_2}{\eta_2}t} \right) \]

Бул формулада \(\varepsilon(t)\) — убакытка көз каранды сойлоп деформация. \(\sigma\) — колдонулган чыңалуу. \(E_1\) — Maxwell денесинин заматта серпилгич модулу жана жүктөө учурдагы кайтарылуучу серпилгич деформацияны аныктайт. \(\eta_1\) — Maxwell илешкектүүлүк коэффициенти жана узак мөөнөттүү туруктуу илешкек агымды башкарат. \(E_2\) — Kelvin денесинин кечиккен серпилгич модулу. \(\eta_2\) — Kelvin денесинин илешкектүүлүк коэффициенти жана кечиккен деформациянын ылдамдыгын аныктайт.

Формуладагы биринчи мүчө заматта серпилгич деформацияны, экинчи мүчө убакыт өткөн сайын топтолгон туруктуу илешкек деформацияны, үчүнчү мүчө болсо убакыт менен жайлаган кечиккен серпилгич деформацияны билдирет. Ошондуктан Burgers модели туз тектин баштапкы деформациясын, жайлаган сойлоп деформацияны жана туруктуу сойлоп деформация жүрүм-турумун түшүндүрүү үчүн пайдалуу.

Классикалык Burgers модели эмне үчүн жетишсиз деп эсептелген?

Классикалык Burgers моделинин маанилүү чектөөсү бар: Модель параметрлери көбүнчө туруктуу кабыл алынат. Бирок жер астындагы суутек сактоодо үңкүрдүн айланасында температура, басым жана чыңалуу абалы дайыма өзгөрөт. Айдап киргизүүдө температура жана басым өсөт, чыгарууда төмөндөйт. Бул өзгөрүүлөр туз тектин серпилгич модулуна, илешкектүүлүгүнө жана зыяндын өнүгүшүнө таасир этет.

Башкача айтканда, тек ар бир циклде бирдей материал сыяктуу жүрүм-турум көрсөтпөйт. Температура жогорулаганда серпилгич модул төмөндөшү мүмкүн. Чыңалуу өскөндө илешкек агым тездетилет. Микро жаракалар топтолгондо эффективдүү көтөрүүчү аянт азайып, ошол эле тышкы чыңалуу жогорку ички чыңалуу сыяктуу таасир берет. Ошондуктан классикалык модель жогорку жыштыктагы суутек сактоо эксплуатациясындагы термо-механикалык чарчоону толук чагылдыра албай калышы мүмкүн.

Бул изилдөө дал ушул чектөөнү азайтуу үчүн Burgers моделин температура, чыңалуу жана зыян эволюциясы менен кеңейтет.

Температура серпилгич модулга кандай таасир этет?

Изилдөөдө туз тектин серпилгич модулу температурага жараша сызыктуу эмес, экспоненциалдуу түрдө төмөндөйт деп кабыл алынган. Бул жүрүм-турум төмөнкү MathJax формуласы менен берилет:

\[ E_i(T)=E_{i0}\exp(-\beta_E \Delta T) \]

\[ \Delta T=T-T_0 \]

Бул жерде \(E_i(T)\) — \(T\) температурасындагы серпилгич модул. \(E_{i0}\) — эталон температурадагы серпилгич модул. \(T_0\) — эталон температура. \(\Delta T\) — учурдагы температура менен эталон температуранын айырмасы. \(\beta_E\) — серпилгич модулдун температурага сезимталдыгын көрсөткөн алсыроо коэффициенти.

Бул формуланын мааниси мындай: Температура жогорулаган сайын туз тектин серпилгич каршылыгы төмөндөйт. Башкача айтканда, тек ошол эле чыңалуу астында көбүрөөк деформацияланууга жакын болот. Газ айдап киргизүүдө үңкүр дубалы ысыганда, температуранын мындай алсыратуучу таасири сойлоп деформацияны тездетиши мүмкүн.

Илешкектүүлүк эмне үчүн Arrhenius мыйзамы менен өзгөртүлөт?

Илешкектүүлүк — материалдын узак мөөнөттүү агууга же сойлоп деформацияланууга каршы каршылыгы. Туз тек температура жогорулаганда жеңилирээк сойлоп деформацияланышы мүмкүн. Бул жүрүм-турум көптөгөн термалык активдешкен процесстер сыяктуу Arrhenius тибиндеги байланыш менен түшүндүрүлөт.

Изилдөөдө илешкектүүлүк коэффициенти температура жана чыңалуу таасири менен төмөнкүдөй өзгөртүлгөн:

\[ \eta_j(T,\sigma)= \frac{ \eta_{j0} \exp\left(\frac{Q_j}{R(T+273)}\right) }{ 1+\alpha_\sigma \sigma } \]

Бул жерде \(\eta_j(T,\sigma)\) — температура жана чыңалуу астындагы оңдолгон илешкектүүлүк коэффициенти. \(\eta_{j0}\) — эталон абалдагы илешкектүүлүк коэффициенти. \(Q_j\) — илешкек агымдын активдешүү энергиясы. \(R\) — идеал газ туруктуусу. \(T+273\) — Kelvin шкаласына айландырылган температура. \(\alpha_\sigma\) — чыңалууну күчөтүү же чыңалууга сезимталдык коэффициенти. \(\sigma\) — колдонулган чыңалуу деңгээли.

Формула эки негизги таасирди бир учурда көрсөтөт. Температура жогорулаганда илешкек агым тездетилет. Чыңалуу көбөйгөндө бөлчөктүн төмөн жагындагы \(1+\alpha_\sigma\sigma\) мүчөсү чоңоюп, эффективдүү илешкектүүлүк азаят. Илешкектүүлүк азайганда тек оңой сойлоп деформацияланат. Ошентип формула “жогорку температура жана жогорку чыңалуу тезирээк сойлоп деформация жаратат” деген билдирүүнү математикалык түрдө көрсөтөт.

Зыян өзгөрмөсү D эмнени билдирет?

Изилдөөнүн эң маанилүү жактарынын бири микро жаракалардын топтолушун көрсөткөн үзгүлтүксүз зыян өзгөрмөсүн колдонгону. Бул өзгөрмө \(D\) менен белгиленип, жалпысынан \(0 \leq D \leq 1\) аралыгында каралат. \(D=0\) материал зыянсыз же бүтүн экенин, \(D\) чоңойгон сайын микро жаракалар көбөйөрүн, \(D\) өтө жогорку мааниге жеткенде материалдын жүк көтөрүү жана герметикалуулук жөндөмү төмөндөөрүн билдирет.

Үзгүлтүксүз зыян механикасына ылайык, микро жаракалар көбөйгөндө материалдын эффективдүү жүк көтөрүүчү аянты азаят. Ошондо ошол эле тышкы чыңалуу зыяндалган материалдын ичинде жогорку эффективдүү чыңалуу сыяктуу иштейт:

\[ \tilde{\sigma}=\frac{\sigma}{1-D} \]

Бул жерде \(\tilde{\sigma}\) — зыяндан улам чоңойгон эффективдүү чыңалуу. \(\sigma\) — тыштан колдонулган макроскопиялык чыңалуу. \(D\) — зыян өзгөрмөсү. \(D\) көбөйгөн сайын \(1-D\) кичирейип, эффективдүү чыңалуу өсөт. Бул зыяндын өзүн-өзү тездетүүчү табиятын түшүндүрөт: Зыян көбөйгөн сайын материал көбүрөөк күчкө дуушар болот, көбүрөөк күчкө дуушар болгон сайын зыян тез өсөт.

Зыян эволюциясы кантип моделденет?

Изилдөөдө зыяндын убакыт өткөн сайын өсүшү үчүн температураны, жүктөө жыштыгын, эквиваленттүү чыңалууну жана өзүн-өзү тездетүү эффектин камтыган теңдеме колдонулган:

\[ \frac{dD}{dt} = C f \left[ \frac{\sigma_{eq}/\sigma_c}{1-D} \right]^m \exp\left[ -\frac{Q_D}{R(T+273)} \right] \]

Бул формулада \(\frac{dD}{dt}\) — зыяндын убакыт боюнча өсүү ылдамдыгы. \(C\) — эксперимент аркылуу калибрленген зыян коэффициенти. \(f\) — алмашма жүктөө жыштыгы, башкача айтканда айдап киргизүү-чыгаруу циклдеринин жыштыгы. \(\sigma_{eq}\) — үч өлчөмдүү чыңалуу абалын бир эквиваленттүү чыңалуу чоңдугуна айланткан көрсөткүч. \(\sigma_c\) — мүнөздүү бекемдик. \(m\) — зыян эволюциясынын сызыктуу эмес сезимталдыгын аныктаган даража. \(Q_D\) — зыяндын активдешүү энергиясы. \(R\) — идеал газ туруктуусу. \(T\) — температура.

Бул теңдеме изилдөөнүн өзөгүн түзөт, анткени үч маанилүү ойду бир убакта камтыйт:

• Иштетүү жыштыгы \(f\) өскөн сайын зыян тезирээк топтолот.
• Эквиваленттүү чыңалуу \(\sigma_{eq}\) өскөн сайын микро жаракалардын өнүгүшү тездейт.
• Зыян \(D\) көбөйгөн сайын \(1-D\) кичирейип, кийинки зыян дагы тез өсөт.

Ошондуктан жогорку жыштыктагы суутек сактоодо коркунуч сызыктуу эмес. Жылына 3 цикл жылына 1 циклдин таасиринин үч эсе көбөйгөнү гана болбошу мүмкүн; зыян өзүн-өзү тездеткендиктен узак мөөнөттөгү натыйжа кыйла оор болушу мүмкүн.

Үч өлчөмдүү чыңалуу абалы кантип эсепке алынат?

Жер астындагы туз тек бир огу бар жөнөкөй чыңалуу астында эмес. Ага үстүңкү катмарлардын салмагы, горизонталдык геологиялык чыңалуулар, үңкүрдүн ичиндеги газ басымы, температурадан пайда болгон чыңалуулар жана катмарлардын таасири бирге иштейт. Ошондуктан модель бир огулуу чыңалуунун ордуна Mohr-Coulomb ыкмасына негизделген эквиваленттүү чыңалууну колдонот:

\[ \sigma_{eq} = \frac{1}{3}I_1\sin\varphi + \sqrt{J_2} \left( \cos\theta - \frac{\sin\theta\sin\varphi}{\sqrt{3}} \right) - c\cos\varphi \]

Бул жерде \(\sigma_{eq}\) — зыян жана агуу баалоосунда колдонулган эквиваленттүү чыңалуу. \(I_1\) — чыңалуу тензорунун биринчи инварианты жана орточо/нормалдык чыңалуу абалы менен байланышкан. \(J_2\) — девиатордук чыңалуунун инварианты жана форма өзгөртүүчү/кесүү таасирин билдирет. \(\theta\) — Lode бурчу жана үч өлчөмдүү чыңалуу жолунун мүнөзүн көрсөтөт. \(\varphi\) — ички сүрүлүү бурчу. \(c\) — когезия.

Бул формуланын практикалык мааниси мындай: Үңкүрдүн айланасындагы тек басым боюнча гана эмес, үч өлчөмдүү чыңалуулардын бириккен таасири боюнча бааланат. Бул реалдуураак ыкма, анткени туз үңкүрлөрүндө зыян көбүнчө бир багыттагы жүктөн эмес, басым, кесүү, созулуу жана термалык чыңалуулардын айкалышынан пайда болот.

Эксперименттик түзүлүш кантип уюштурулган?

Модель теориялык деңгээлде гана калбашы үчүн лабораториялык масштабдагы физикалык симуляция эксперименттери жүргүзүлгөн. Эксперименттерде Пакистандан алынган табигый туз тек үлгүсү колдонулган. Үлгүнүн диаметри 200 mm, бийиктиги 400 mm. Үлгүнүн ичинде кичине масштабдагы туз үңкүрү түзүлгөн. Үңкүрдүн максималдуу диаметри 62,58 mm, бийиктиги 75,12 mm, көлөмү 158,64 mL деп берилген.

Бул эксперименттик түзүлүш реалдуу туз үңкүрүнүн эксплуатациясын лабораториялык масштабда окшоштурууга багытталган. Үлгүгө сырттан огулук жана капталдык басым берилет. Үңкүрдүн ичине жогорку басымдагы газ айдалат. Газ басымы цикл түрүндө көбөйтүлүп-азайтылат. Ошентип реалдуу сактоо үңкүрүндө болгон айдап киргизүү-чыгаруу циклдери кичине масштабда симуляцияланган.

Эксперимент учурунда огулук деформация, радиалдык деформация жана газдын агып кетиши өлчөнгөн. Ошондой эле микро жаракалардын өнүгүшүн көзөмөлдөө үчүн акустикалык эмиссия системасы колдонулган. Акустикалык эмиссия — тектин ичинде жарака пайда болгондо же микро жылыш сыяктуу окуяларда чыккан серпилгич толкундарды аныктайт. Ошондуктан лабораториялык масштабда зыян качан жана кандай ылдамдыкта өнүгүп жатканын түшүнүү үчүн күчтүү курал болуп саналат.

Эксперимент шарттары кандай?

Изилдөөдө үч негизги эксперимент шарты түзүлгөн:

Ар бир эксперимент 5 циклден турган. Ар бир цикл 12 саатка созулуп, төмөн басым, жогорку басым жана басымды жөнгө салуу баскычтарын камтыган. Газ катары гелий колдонулган. Максималдуу газ басымы 17 MPa, минималдуу газ басымы 7 MPa. Эксперименттерден кийин мурунку зыян кийинки экспериментке таасир бербеши үчүн үңкүргө каныккан туздуу суу куюлуп, 7 MPa басымда 3 күн кармалып, туз тектин өзүн-өзү калыбына келтирүү жөндөмү пайдаланылган.

Эксперимент натыйжалары моделдин кайсы жактарын колдойт?

Эксперимент натыйжалары үч негизги багытта бааланган: макроскопиялык сойлоп деформация, акустикалык эмиссия аркылуу зыяндын өнүгүшү жана газ герметикалуулугу.

Биринчиден, радиалдык сойлоп деформацияда айкын айырма болгон. Негизги шартта 5 циклдин аягында радиалдык деформация %0,0159 деңгээлине жеткен. Жогорку температура шартында бул маани %0,0245, жогорку девиатордук чыңалуу шартында болсо %0,0388 болгон.

Бул натыйжа температуранын өсүшү туз тектин сойлоп деформациясын тездетерин, бирок жогорку девиатордук чыңалуу деформацияны андан да күчтүү тездетерин көрсөтөт. Бул табылга моделде температуралык жумшаруу жана эквиваленттүү чыңалуу кыймылдаткыч мүчөсү экөө тең болушун колдойт.

Экинчиден, акустикалык эмиссиядан алынган топтолмо зыян өзгөрмөсү сызыктуу эмес, S түрүндөгү өнүгүү көрсөткөн. Башында тез өсүш, андан кийин туруктуураак өнүгүү, кийин кайра тездеген зыян эволюциясы байкалган. Өзгөчө жогорку девиатордук чыңалуу шартында 5. циклде зыян өзгөрмөсү D = 0,076 деңгээлине жетип, туруксуз жайылуу тенденциясын көрсөткөн. Бул жүрүм-турум зыян теңдемесиндеги \(1-D\) бөлгүчү чагылдырган өзүн-өзү тездетүү механизмине шайкеш.

Үчүнчүдөн, газдын агып кетиши зыян өзгөрмөсүнө параллелдүү өнүккөн. Негизги жана жогорку температура шарттарында агып кетүү өсүшү чектелүү жана туруктуураак. Жогорку девиатордук чыңалуу шартында болсо алгачкы циклдердеги жай топтолуудан кийин 5. циклде агып кетүү көрсөткүчү кескин өсүп, %0,105 деңгээлине жеткен. Бул микро жаракалар биригип, герметикалык тосмону бузуу тенденциясын көрсөтөт.

Бул үч далил бирге бааланганда, модель деформацияны гана эмес, зыяндын топтолушун жана герметикалуулуктун жоголушун да чагылдыра алганын көрүүгө болот. Калибрлөөдөн кийин моделдин жалпы шайкештик коэффициенти \(R^2 > 0,92\) деңгээлине жеткени эксперименттик маалыматтар менен күчтүү шайкештик бар экенин көрсөтөт.

Калибрленген модель параметрлери эмнени билдирет?

Изилдөөдө термо-механикалык зыяндуу Burgers модели үчүн негизги параметрлер эксперименттик маалыматтар менен калибрленген. Негизги айрым маанилер:

Бул параметрлер модель жөн гана теориялык теңдеме эмес, эксперименттик маалыматтар аркылуу сандык түрдө иштетиле турган абалга келтирилгенин көрсөтөт. Өзгөчө \(m=3,5\) мааниси зыян эволюциясы сызыктуу эмес жана чыңалуу менен зыян абалына күчтүү сезимтал экенин билдирет.

Беш өлчөмдүү туруктуулук баалоо системасы деген эмне?

Изилдөөнүн маанилүү салымдарынын бири — туз үңкүрүнүн коопсуздугун бир эле көрсөткүчкө кыскартпаганы. Үңкүрдүн коопсуздугун тек жылыш менен, тек чыңалуу менен же тек зыян менен баалоо жетишсиз болушу мүмкүн. Ошондуктан изилдөө беш өлчөмдүү баалоо системасын түзгөн:

• Жалпы жылыш,
• Созулуу коркунуч индекси,
• Динамикалык бекемдик резерв фактору,
• Эквиваленттүү вископластикалык деформация,
• Топтолмо зыян фактору.

Бул түзүлүш макроскопиялык геометриянын өзгөрүшүн, созулуу жаракасы коркунучун, кесүү бекемдигин, сойлоп агымды жана микро жаракалардын топтолушун бир убакта баалайт. Ошентип үңкүр “куладыбы?” деген суроо менен гана эмес, “герметикалуулугу жана узак мөөнөттүү түзүмдүк бүтүндүгү сакталдыбы?” деген суроо менен да изилденет.

Жалпы жылыш кантип эсептелет?

Жалпы жылыш — тектеги бир чекиттин үч мейкиндик багытындагы кыймылынын бириккен чоңдугу:

\[ U_{\mathrm{total}}=\sqrt{u^2+v^2+w^2} \]

Бул жерде \(u\), \(v\) жана \(w\) тиешелүүлүгүнө жараша \(X\), \(Y\) жана \(Z\) багыттарындагы жылыш компоненттери. \(U_{\mathrm{total}}\) ушул үч компоненттин жалпы геометриялык таасирин берет.

Макроскопиялык коопсуздук жагынан жылыш үңкүрдүн максималдуу диаметринин %10 маанисинен ашпоосу жана көлөмдүн кичирейиши баштапкы көлөмдүн %30 маанисинен өтпөшү сунушталат. Бирок изилдөө абсолюттук мааниге гана эмес, убакыт боюнча өзгөрүү ылдамдыгына да көңүл бурат. Эгер жылыш ылдамдыгы улам өсүп жатса, тек тездеген сойлоп деформация баскычына кирген болушу мүмкүн жана бул туруксуздук жакындаганын көрсөтөт.

Созулуу коркунуч индекси эмнени өлчөйт?

Туз тек кысууга салыштырмалуу туруктуу, бирок созулууга алсыз. Созулуу бекемдиги адатта 1-2 MPa сыяктуу төмөн деңгээлде. Жогорку жыштыктагы газ чыгарууда басым жана температура азайганда үңкүр дубалында жергиликтүү созулуу чыңалуулары пайда болушу мүмкүн. Ошондуктан созулуу зыяндары герметикалуулук үчүн критикалык коркунуч.

Созулуу коркунуч индекси төмөнкүдөй аныкталат:

\[ Risk_{\mathrm{Tensile}}=\sigma_1-\sigma_t(T) \]

Бул жерде \(Risk_{\mathrm{Tensile}}\) — созулуу жаракасынын коркунучу. \(\sigma_1\) — биринчи негизги чыңалуу жана созулуу оң деп кабыл алынат. \(\sigma_t(T)\) — температуранын таасири эсепке алынган созулуу бекемдиги.

Эгер \(Risk_{\mathrm{Tensile}}<0\) болсо, тек коопсуз деп эсептелет, анткени учурдагы созулуу чыңалуусу созулуу бекемдигинен төмөн же тек кысуу абалында. Эгер \(Risk_{\mathrm{Tensile}}>0\) болсо, жергиликтүү созулуу жаракасынын коркунучу бар. Туз үңкүрлөрүндө бул коркунуч механикалык сынуу гана эмес; жаракалар бириксе, газ агып кетүү жана суутек миграциясы үчүн жол пайда кылышы мүмкүн.

Динамикалык бекемдик резерв фактору эмнени көрсөтөт?

Туз тек жер астында терең үч октуу кысуу абалында турат. Ошондуктан кесүү бекемдиги айланадагы басымга жана ички сүрүлүү жүрүм-турумуна байланыштуу. Изилдөөдө динамикалык бекемдик резерв фактору тек массасы учурдагы чыңалуу абалында кесүү зыянга каршы канча коопсуздук запасына ээ экенин өлчөө үчүн колдонулат:

\[ SF= \frac{ \sigma_c(T)+ \sigma_3 \tan^2 \left( 45^\circ+\frac{\varphi(T)}{2} \right) }{ \sigma_1 } \]

Бул жерде \(SF\) — динамикалык бекемдик резерв фактору. \(\sigma_1\) жана \(\sigma_3\) — максималдуу жана минималдуу негизги чыңалуулар. \(\sigma_c(T)\) — температура таасириндеги бир октуу кысуу бекемдиги. \(\varphi(T)\) — температурага көз каранды ички сүрүлүү бурчу.

Баалоо аралыктары:

• \(SF>1,5\): узак мөөнөттүү коопсуз зона,
• \(1,0 \leq SF \leq 1,5\): критикалык коопсуздук зонасы,
• \(SF<1,0\): пластикалык агуу же кесүү зыян коркунучу.

Бул индекс үңкүрдүн айланасындагы тек кесүү зыянга канчалык жакын экенин көрсөтөт. Өзгөчө жылына 2 жана 3 цикл сценарийлеринде критикалык аймактардын кеңейиши узак мөөнөттүү иштетүү үчүн олуттуу эскертүү.

Эквиваленттүү вископластикалык деформация кантип аныкталат?

Туз тек үч өлчөмдүү татаал чыңалуу талаасында сойлоп деформацияланат. Ошондуктан бир эле багыттагы деформацияны көзөмөлдөө жетишсиз. Изилдөөдө Von Misesке окшош эквиваленттүү деформация колдонулган:

\[ \varepsilon_{vp} = \sqrt{ \frac{2}{3} e^{vp}_{ij}e^{vp}_{ij} } \]

Бул жерде \(\varepsilon_{vp}\) — эквиваленттүү вископластикалык деформация. \(e^{vp}_{ij}\) — орточо көлөмдүк деформация алынып салынгандан кийинки девиатордук вископластикалык деформация тензору:

\[ e^{vp}_{ij} = \varepsilon^{vp}_{ij} - \varepsilon^{vp}_m\delta_{ij} \]

\[ \varepsilon^{vp}_m= \frac{1}{3}\varepsilon^{vp}_{kk} \]

Бул жерде \(\delta_{ij}\) — Kronecker дельтасы. Бул формула үч өлчөмдүү деформацияны бир скалярдык мааниге түшүрөт. Ошентип аны лабораториялык эксперименттер жана инженердик босоголор менен оңой салыштырууга болот.

Изилдөөдө коопсуздук аралыктары төмөнкүдөй бааланат:

• \(\varepsilon_{vp}<3\%\): коопсуз же алгачкы туруктуу деформация зонасы,
• \(3\% \leq \varepsilon_{vp} \leq 10\%\): байкаларлык сойлоп деформация бар жана көңүл бурууну талап кылган зона,
• \(\varepsilon_{vp}>10\%\): тездеген сойлоп деформация же реологиялык зыян коркунучу.

Топтолмо зыян фактору эмне үчүн эң критикалык көрсөткүчтөрдүн бири?

Топтолмо зыян фактору \(D\) микро жаракалардын өнүгүшүн жана тектин герметикалуулугунун начарлоо коркунучун билдирет. Изилдөөдө зыян үчүн төмөнкү босоголор колдонулган:

• \(D<0,1\): тек негизинен бүтүн деп эсептелет.
• \(0,1 \leq D \leq 0,5\): зыян башталып жана өнүгүп жаткан зона.
• \(D>0,5\): инженердик жактан герметикалуулуктун жоголушу жана макро жарака тармагынын коркунучу олуттуу болот.

Математикалык жактан \(D\) 1 маанисине чейин чыгышы мүмкүн, бирок инженердик колдонмодо \(D>0,5\) өтө маанилүү босого. Анткени бул деңгээлде микро жаракалар биригип макроскопиялык жарака тармагына айлануу ыктымалдыгы жогору. Суутек сактоо жагынан бул текке келген зыян гана эмес, түздөн-түз газ миграциясы жана герметикалуулук коопсуздугунун көйгөйү.

Сандык модель кайсы реалдуу үңкүргө колдонулган?

Изилдөөдө 30 жылдык сандык талдоо Кытайдын Jintan аймагындагы JK8-6 туз үңкүрүнүн маалыматтары менен жүргүзүлгөн. Модель үңкүрдүн sonar өлчөө маалыматтарына жана жергиликтүү стратиграфиялык өзгөчөлүктөрүнө негизделген үч өлчөмдүү деталдуу геомеханикалык модель.

Эсептөө аймагы 1500 m × 1500 m × 1000 m өлчөмүндөгү блок катары түзүлгөн. Туз катмары болжол менен 995-1195 m тереңдик аралыгында жайгашып, калыңдыгы 200 m. Туз катмарынын үстүндө жана астында тыгыз аргиллит катмарлары бар. Изилденген үңкүрдүн бийиктиги болжол менен 89,7 m, максималдуу диаметри 69,2 m.

Моделдин өлчөмдөрү үңкүр өлчөмүнөн 10 эседен ашык тандалганы чек ара эффекттери натыйжага таасир этпеши үчүн. Ошондой эле реалдуу үңкүр геометриясынын өтө ирээтсиз бөлүктөрү сандык сингулярдуулук жаратпашы үчүн үңкүрдүн чек аралары жумшартылган. Бул реалдуу инженердик маалымат менен эсептөөгө ыңгайлуу сандык моделдин ортосунда тең салмак түзгөн ыкма.

Үч эксплуатация сценарийи кантип аныкталган?

30 жылдык симуляцияларда үч башка айдап киргизүү-чыгаруу жыштыгы каралган:

Бул сценарийлер кайра жаралуучу энергия системалары менен бирге туз үңкүрүндө суутек сактоо кандай өзгөрүшү мүмкүн экенин түздөн-түз текшерет. Салттуу жаратылыш газын сактоодо жылына бир цикл жетиштүү болушу мүмкүн, бирок суутек тармакты теңдөө үчүн көбүрөөк жыштыкта пайдаланылышы мүмкүн. Изилдөө бул жыштыктын геомеханикалык баасын сандык түрдө көрсөтүүгө аракет кылат.

Үңкүрдүн ичиндеги температура талаасы кантип өзгөрөт?

Термалык талдоолор газды айдап киргизүү жана чыгаруу учурунда үңкүр ичинде күчтүү температура термелүүлөрү пайда болорун көрсөтөт. Айдап киргизүүдө кысылуудан улам үңкүрдүн ичиндеги температура жогорулап, борбордук аймакта болжол менен 68 °C деңгээлине жетиши мүмкүн. Газ чыгарууда болсо кеңейүү жана Joule-Thomson эффектинин айынан температура тез төмөндөп, борбордук аймакта 45 °C деңгээлинен да төмөндөшү мүмкүн.

Бул температура термелүүсү газдын ичинде гана калбайт. Үңкүр дубалындагы туз тек менен жылуулук алмашуу болот. Бирок туз тектин жылуулук өткөрүмдүүлүгү төмөн болгондуктан, жылуулук өзгөрүүсү алыскы зонага жайылбай, үңкүр дубалына жакын жука термалык таасирленген зонада топтолот. Бул тар аймакта кайталанган ысык-суук цикли айланадагы текте күчтүү алмашма термалык чыңалууларды пайда кылат.

Бул механизм изилдөөнүн зыянды түшүндүрүүсүндө борбордук орунда турат. Башкача айтканда, узак мөөнөттүү зыяндын негизги козгогучтарынын бири басым цикли гана эмес, басым цикли менен кошо келген кайталануучу температуралык шок.

Жылына 1 циклде үңкүр коопсузбу?

Салттуу сезондук иштетүү болгон жылына 1 цикл сценарийинде JK8-6 туз үңкүрү 30 жылдын аягында жалпысынан коопсуз көрүнөт. Деформация убакыт боюнча туруктуу жана болжол менен сызыктуу сойлоп деформация мүнөзүн көрсөтөт. 30 жылдын аягында максималдуу горизонталдык жылыш 2,37 m, максималдуу жердин отурушу 1,85 m. Көлөмдүн кичирейүү катышы %4,02 деңгээлинде.

Бул маанилер коопсуздук чектеринен кыйла төмөн. Үңкүрдүн максималдуу диаметринин %10 жана көлөмдүн кичирейиши үчүн %30 чек эске алынганда, жылына 1 цикл эксплуатация үңкүрдүн геометриясы жагынан коопсуз калат.

Башка көрсөткүчтөр да ошол эле багытта. Созулуу коркунучу жалпысынан нөлгө барабар же терс, башкача айтканда айланадагы тек негизинен кысуу абалында калат. Динамикалык бекемдик резерв фактору көпчүлүк аймакта \(SF>1,5\). Эквиваленттүү вископластикалык деформация алыскы зоналарда адатта %3 маанисинен төмөн. Топтолмо зыян фактору болсо көпчүлүк аймакта \(D<0,1\) бойдон калат жана \(D>0,5\) болгон байланышкан кооптуу зоналар пайда болбойт.

Бул натыйжа изилденген үңкүр үчүн салттуу төмөн жыштыктагы эксплуатация узак мөөнөттүү герметикалуулук жана түзүмдүк бүтүндүк жагынан коопсуз экенин көрсөтөт.

Жылына 2 циклде эмне өзгөрөт?

Жылына 2 айдап киргизүү-чыгаруу цикли жүргүзүлгөндө үңкүрдүн узак мөөнөттүү туруктуулугу байкаларлык начарлайт. 30 жылдын аягында максималдуу жер отурушу 3,36 m, максималдуу горизонталдык жылыш 2,65 m деңгээлине чыгат. Көлөмдүн кичирейүү катышы %14,32 болот.

Бул көлөм кичирейиши дагы эле %30 чектен төмөн, бирок жылына 1 цикл сценарийиндеги %4,02 маанисине салыштырмалуу өтө чоң өсүш. Бул цикл саны көбөйгөн сайын үңкүрдүн айланасындагы сойлоп деформация зонасы тездик менен кысылып, эффективдүү сактоо көлөмү азайып жатканын көрсөтөт.

Көп өлчөмдүү туруктуулук көрсөткүчтөрү олуттуураак эскертүү берет. Созулуу жаракасынын коркунучу өзгөчө аралык катмарларда көбөйөт. Динамикалык бекемдик резерв факторунда \(1,0 \leq SF \leq 1,5\) критикалык өткөөл зоналар калыңыраак жана үзгүлтүксүз болуп калат. Эквиваленттүү вископластикалык деформация жана топтолмо зыян аймактары кеңейет. Үңкүр дубалында микро жаракалардын өнүгүү аймагы өсүп, \(0,1 \leq D \leq 0,5\) зыян өнүгүү зонасы ачыгыраак болот.

Бул сценарий үчүн изилдөөнүн чечмелөөсү этият жана тең салмактуу: Кыска мөөнөттүү иштетүү контролдонуучу болушу мүмкүн, бирок 30 жыл бою ушул жыштыкта иштөө жергиликтүү түзүмдүк туруксуздук коркунучун көбөйтөт. Башкача айтканда, жылына 2 цикл дароо катастрофа дегенди билдирбейт, бирок узак мөөнөттүү эксплуатация катуу көзөмөлдөнүшү керек.

Жылына 3 цикл эмне үчүн критикалык болуп калат?

Жылына 3 цикл сценарийи жогорку жыштыктагы эксплуатациянын кооптуу чегин көрсөтөт. 30 жылдын аягында максималдуу жер отурушу 4,54 m, максималдуу горизонталдык жылыш 3,58 m. Көлөмдүн кичирейүү катышы %19,39.

Алгач караганда бул көлөмдүн кичирейиши дагы эле %30 чектен төмөн көрүнөт. Бирок изилдөө геометриялык кичирейүүгө гана кароо жетишсиз экенин ачык көрсөтөт. Анткени негизги критикалык начарлоо зыян, созулуу коркунучу, кесүү бекемдиги жана герметикалуулук көрсөткүчтөрүндө пайда болот.

Бул сценарийде аралык катмар зоналарында созулуу жарылуусу кыйла күчөйт. Динамикалык бекемдик резерв фактору төмөндөп, \(SF<1,0\) зоналары кеңейет. Бул тек массасынын айрым жерлеринде пластикалык агуу же кесүү зыян чегине келгенин көрсөтөт. Эквиваленттүү вископластикалык деформация үңкүрдүн мойнунда, төмөнкү бурчунда жана каптал дубалдарында %10 босогосун ашат, бул жергиликтүү реологиялык зыян коркунучун билдирет.

Эң критикалык натыйжа топтолмо зыян факторунда. Кеңири тек массасында \(D>0,5\) босогосу ашат. Бул микро жаракалар чоң өлчөмдө биригип макроскопиялык жарака тармагын түзүшү жана үңкүрдүн герметикалуулугу олуттуу начарлашы мүмкүн дегенди билдирет. Суутек сактоо үчүн бул өтө маанилүү, анткени коркунуч түзүмдүк деформация менен гана чектелбестен, газдын агып кетүүсү жана суутектин миграциясын да камтыйт.

Изилдөөнүн жыйынтыгы так: Жылына 3 цикл авариялык же кыска мөөнөттүү өзгөчө шарттарда каралышы мүмкүн, бирок 30 жыл бою стандарттык эксплуатация режими катары колдонулбашы керек. Узак мөөнөттө жалпы туруксуздук, зыян жана герметикалуулуктун жоголуу коркунучу өтө жогору.

Үч сценарийдин жыйынтыктарын кантип салыштыруу керек?

Бул таблица эксплуатация жыштыгынын таасири сызыктуу эмес экенин көрсөтөт. Көлөмдүн кичирейиши 1 циклден 2 циклге өткөндө өтө чоң өсөт. 3 циклде болсо геометриялык чектер толук ашпаса да, зыян жана герметикалуулук боюнча критикалык чектер ашат. Ошондуктан үңкүрдүн коопсуздугунда көлөмдүн кичирейиши же жылыш гана жетишсиз; зыян фактору жана жаракалардын өнүгүшү да негизги чечим көрсөткүчтөрү болушу керек.

Бул изилдөөнү күнүмдүк жашоого кандай салыштырууга болот?

Бул изилдөө техникалык жактан терең туз үңкүрү, геомеханикалык моделдөө жана суутек сактоо жөнүндө болсо да, күнүмдүк мисал менен түшүнүүгө болот. Металл зымды кайра-кайра алдыга-артка ийсеңиз, бир эле жолу ийгенде сынбайт. Бирок жетиштүү көп жолу ийилсе чарчап, акыры үзүлөт. Туз үңкүрү да бир айдап киргизүү же чыгаруу циклинде дароо бузулбайт. Бирок басым менен температуранын тез-тез өзгөрүшү үңкүр дубалындагы текте акырындык менен чарчоо зыяндарын топтойт.

Дагы бир салыштыруу — ысык-суук шогу. Айнек идишке өтө ысык суу куюп, анан дароо муздак суу куйсаңыз, температура айырмасы материалда чыңалуу жаратат. Туз үңкүрүнүн дубалы да газ айдалганда ысыйт, газ чыгарылганда муздайт. Бул процесс жылына бир жолу болсо тек калыбына келип же зыян чектелүү калышы мүмкүн. Бирок циклдер көбөйсө, ошол эле аймакта үзгүлтүксүз термалык чыңалуу пайда болуп, микро жаракалар чоңоюшу мүмкүн.

Ошондуктан суутек сактоонун коопсуздугу үңкүрдүн канчалык чоң экени же канча басымга чыдашы менен гана эмес, кантип иштетилери менен да байланыштуу. Бир эле үңкүр жай жана сейрек иштетүүдө коопсуз, тез жана жыш иштетүүдө кооптуу болушу мүмкүн.

Энергия трансформациясы жагынан изилдөөнүн мааниси эмнеде?

Энергия трансформациясы көп учурда күн панели, шамал турбинасы, электролизер жана суутек өндүрүү аркылуу талкууланат. Бирок бул изилдөө жер астындагы сактоо инфраструктурасы да ошол сыяктуу маанилүү экенин эске салат. Жашыл суутек экономикасы суутек өндүрүү менен гана бүтпөйт. Өндүрүлгөн суутек коопсуз, экономикалык жана узак мөөнөттүү сакталышы керек.

Туз үңкүрлөрү чоң масштабдагы суутек сактоо үчүн эң перспективалуу варианттардын бири. Бирок кайра жаралуучу энергиянын термелүүлөрүн тез теңдөө үчүн үңкүрлөр көбүрөөк жыштыкта иштетилсе, тек механикасынын чектери энергетикалык системанын эксплуатация стратегиясын аныктоочу факторго айланат. Башкача айтканда, тармак оператору “көбүрөөк жыштыкта толтур-бошот” дегенде, жер астындагы туз тектин чарчоо чеги да эсепке алынышы керек.

Бул изилдөө ушул жагынан маанилүү көпүрө түзөт: Энергия системасынын ийкемдүүлүгү менен геомеханикалык туруктуулуктун байланышын сандык түрдө көрсөтөт. Натыйжалар суутек сактоо үңкүрлөрү кайра жаралуучу энергияны колдоого мүмкүн экенин, бирок жогорку жыштыктагы эксплуатация чексиз коопсуз деп кабыл алынбашы керек экенин көрсөтөт.

Өткөн, азыркы жана келечек жагынан изилдөөнүн мааниси

Өткөн мезгилге караганда, туз үңкүрлөрү көп жылдар бою жаратылыш газын сактоо жана айрым энергетикалык сактоо колдонмолорунда колдонулуп келген. Бул эксплуатациялар көбүнчө сезондук чокуну теңдөө логикасына негизделген. Мындай режимде циклдер аз, басым жана температура өзгөрүүлөрү жай жана узак аралыкта болот. Ошондуктан классикалык туруктуулук моделдери көп колдонмолордо жетиштүү деп кабыл алынган.

Бүгүнкү күндө кайра жаралуучу энергиянын үлүшү өскөн сайын сактоо инфраструктурасынын иштөө логикасы өзгөрүүдө. Суутек сактагычтар тек кыш-жай ортосундагы сезондук сактоо үчүн гана эмес, тез-тез болгон кубат термелүүлөрүн теңдөө үчүн да пайдаланылышы мүмкүн. Бул туз үңкүрү көбүрөөк циклге дуушар болот дегенди билдирет. Изилдөө бул жаңы эксплуатация шарттары классикалык коопсуздук божомолдорун кыйындатып жатканын көрсөтөт.

Келечек жагынан суутек экономикасынын коопсуз өсүшү үчүн ар бир туз үңкүрү өзүнүн геологиялык шарттары, температура-басым циклдери, иштетүү жыштыгы, зыян топтолушу жана герметикалуулук коопсуздугу менен бирге моделдениши керек болот. “Туз үңкүрү коопсуз” же “туз үңкүрү кооптуу” деген туруктуу баа жетишсиз. Коопсуздук үңкүрдүн формасына, тереңдигине, катмар түзүлүшүнө, эксплуатация басымына, температура термелүүсүнө жана циклдердин санына көз каранды.

Изилдөөнүн күчтүү жактары кайсылар?

Изилдөөнүн эң күчтүү жактарынын бири жогорку жыштыктагы суутек сактоо эксплуатациясын классикалык тек механикасынын чегинен кеңири кароосу. Модель серпилгич деформацияны гана эмес, сойлоп деформацияны, температуралык жумшарууну, илешкектүүлүктүн өзгөрүшүн, чыңалуунун күчөшүн жана зыян эволюциясын бирге эске алат.

Экинчи күчтүү жагы теориялык модель лабораториялык эксперименттер менен текшерилүүгө аракет кылынган. Кичине масштабдагы туз үңкүрүнүн физикалык симуляциясы, жогорку басымдагы газ циклдери, акустикалык эмиссияны көзөмөлдөө жана газ агып кетүү өлчөөлөрү моделдин жөн гана математикалык сунуш болуп калбашына жардам берет.

Үчүнчү күчтүү жагы коопсуздукту беш өлчөмдө баалоосу. Жылыш, созулуу коркунучу, бекемдик резерви, вископластикалык деформация жана зыян фактору бирге колдонулгандыктан үңкүрдүн туруктуулугу комплекстүү бааланат. Бул суутек сактоодо өзгөчө маанилүү, анткени герметикалуулуктун жоголушу түзүмдүк кулаштан мурда эле критикалык болушу мүмкүн.

Төртүнчү күчтүү жагы JK8-6 Jintan деген реалдуу талаа үңкүрүнүн маалыматтары менен 30 жылдык сандык талдоо жүргүзүлгөнү. Ошентип изилдөө идеализацияланган модель гана эмес, инженердик жактан маанилүү узак мөөнөттүү сценарий салыштыруусун сунуштайт.

Бешинчи күчтүү жагы жыйынтыктар эксплуатациялык саясат үчүн так билдирүү берет. Жылына 1 цикл коопсуз, жылына 2 цикл этият көзөмөл талап кылат, жылына 3 цикл болсо узак мөөнөттүү стандарттык эксплуатация үчүн олуттуу коркунучтуу көрүнөт. Мындай чектер суутек сактоону пландоо үчүн практикалык мааниге ээ.

Изилдөөнүн чектөөлөрү кайсылар?

Биринчи жана эң маанилүү чектөө — изилдөө рецензиядан өтө элек алдын ала басылма. Ошондуктан натыйжалар баалуу илимий изилдөө катары каралышы керек, бирок акыркы рецензияланган басылманын натыйжасы сыяктуу абсолюттук кабыл алынбашы керек.

Экинчи чектөө — эксперименттер лабораториялык масштабда жасалган. Лабораториялык үлгү 200 mm диаметри жана 400 mm бийиктиги менен реалдуу туз үңкүрүнөн кыйла кичине. Реалдуу үңкүр ондогон метр өлчөмүндө жана кыйла татаал геологиялык катмарлар менен курчалган. Лабораториялык натыйжалар механизмди түшүнүүгө күчтүү жардам берет, бирок талаа масштабына түздөн-түз бирдей өткөрүлбөшү керек.

Үчүнчү чектөө — эксперименттерде гелий колдонулган. Суутектин молекулалык жүрүм-туруму, агып кетүү тенденциясы, химиялык өз ара аракеттери жана эксплуатациялык коопсуздук шарттары гелийден айырмаланат. Сандык талдоо суутек сактоо контекстине багытталган, бирок чыныгы суутек менен талаа сыноолору дагы керек.

Төртүнчү чектөө — модель белгилүү бир үңкүр геометриясына жана Jintan JK8-6 талаасына колдонулган. Ар башка туз катмарлары, тереңдиктер, катмар аралык кошулмалар, үңкүр формалары жана басым аралыктары ар башка жыйынтык бериши мүмкүн. Ошондуктан ар бир талаа үчүн жергиликтүү калибрлөө жүргүзүлүшү керек.

Бешинчи чектөө — 30 жылдык талдоо белгилүү цикл жыштыктары менен гана чектелген. Реалдуу эксплуатацияда циклдер ирээтсиз болушу мүмкүн; айрым мезгилде жыш, айрым мезгилде сейрек иштетилет. Ошондой эле авариялык тармак колдоосу, рынок шарттары жана суутек талабы эксплуатация профилин өзгөртөт. Ошондуктан келечекте ирээтсиз жана стохастикалык эксплуатация сценарийлери да изилдениши керек.

Бул изилдөө эмнени айтат, эмнени айтпайт?

Бул изилдөө туз үңкүрүндө суутек жана жер астындагы энергия сактоо жогорку потенциалга ээ экенин кабыл алат, бирок коопсуздук эксплуатация жыштыгына өтө көз каранды экенин көрсөтөт. Жылына 1 цикл сыяктуу салттуу шартта изилденген үңкүр 30 жыл бою коопсуз жана көзөмөлдөнгөн абалда калат.

Изилдөө жылына 2 циклде коркунучтар айкын көбөйөрүн айтат. Бул шартта кыска мөөнөттүү эксплуатация дагы эле башкарылуучу болушу мүмкүн, бирок 30 жылдык иштетүүдө жергиликтүү туруксуздук коркунучу өсөт. Ошондуктан эксплуатация мөөнөтү, зыянды көзөмөлдөө жана коопсуздук чектери кылдат башкарылышы керек.

Изилдөө жылына 3 цикл жогорку жыштыктагы эксплуатация узак мөөнөттүү стандарттык режим катары коопсуз эмес экенин көрсөтөт. Зыян факторунун 0,5 босогосун ашышы микро жаракалар макро жарака тармагына өтүп, герметикалуулуктун жоголуу коркунучу өтө олуттуу болгонун көрсөтөт.

Бирок изилдөө бардык туз үңкүрлөрү жылына 3 циклде сөзсүз бузулат деп айтпайт. Натыйжалар изилденген модель, параметрлер, JK8-6 талаасынын геометриясы жана колдонулган эксплуатация шарттары үчүн жарактуу. Башка үңкүрлөрдө башка натыйжалар болушу мүмкүн. Бирок негизги илимий эскертүү күчтүү: Суутек сактоо үңкүрлөрүндө эксплуатация жыштыгы түзүмдүк коопсуздуктун негизги долбоорлоо параметрлеринин бири болушу керек.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Табылгалары

Бул изилдөө туз үңкүрүндө жер астындагы энергия/суутек сактоонун жогорку жыштыктагы айдап киргизүү-чыгаруу операцияларында термо-механикалык зыян жана узак мөөнөттүү туруктуулук жүрүм-турумун караган моделдөө, эксперимент жана сандык симуляция изилдөөсү.

Изилдөөнүн ыкмасы үч негизги баскычтан турат:

• Термо-механикалык зыяндуу Burgers сойлоп деформация моделин иштеп чыгуу,
• Лабораториялык масштабдагы туз үңкүрүнүн физикалык симуляциясы жана акустикалык эмиссия менен текшерүү,
• JK8-6 Jintan туз үңкүрү үчүн 30 жылдык үч эксплуатация жыштыгын симуляциялоо.

Классикалык Burgers сойлоп деформация модели төмөнкүдөй берилет:

\[ \varepsilon(t)= \frac{\sigma}{E_1} + \frac{\sigma}{\eta_1}t + \frac{\sigma}{E_2} \left( 1-e^{-\frac{E_2}{\eta_2}t} \right) \]

Модель температуранын таасирин серпилгич модулдун алсыроосу менен кошот:

\[ E_i(T)=E_{i0}\exp(-\beta_E \Delta T) \]

\[ \Delta T=T-T_0 \]

Илешкектүүлүк коэффициенти температура жана чыңалуу таасири менен төмөнкүдөй оңдолот:

\[ \eta_j(T,\sigma)= \frac{ \eta_{j0} \exp\left(\frac{Q_j}{R(T+273)}\right) }{ 1+\alpha_\sigma \sigma } \]

Зыяндын өнүгүшү болсо төмөнкү теңдеме менен көрсөтүлөт:

\[ \frac{dD}{dt} = C f \left[ \frac{\sigma_{eq}/\sigma_c}{1-D} \right]^m \exp\left[ -\frac{Q_D}{R(T+273)} \right] \]

Бул теңдемеде \(D\) — зыян өзгөрмөсү, \(f\) — цикл жыштыгы, \(\sigma_{eq}\) — эквиваленттүү чыңалуу, \(\sigma_c\) — мүнөздүү бекемдик, \(C\) жана \(m\) — эксперименттик зыян параметрлери, \(Q_D\) — зыяндын активдешүү энергиясы. Теңдеме жогорку жыштыктагы циклдер, жогорку чыңалуу жана температура зыянды тездетерин; зыян өскөн сайын кийинки зыян өзүн-өзү тездетерин көрсөтөт.

Туруктуулукту баалоодо колдонулган негизги көрсөткүчтөр:

\[ U_{\mathrm{total}}=\sqrt{u^2+v^2+w^2} \]

\[ Risk_{\mathrm{Tensile}}=\sigma_1-\sigma_t(T) \]

\[ SF= \frac{ \sigma_c(T)+ \sigma_3 \tan^2 \left( 45^\circ+\frac{\varphi(T)}{2} \right) }{ \sigma_1 } \]

\[ \varepsilon_{vp} = \sqrt{ \frac{2}{3} e^{vp}_{ij}e^{vp}_{ij} } \]

\[ e^{vp}_{ij} = \varepsilon^{vp}_{ij} - \varepsilon^{vp}_m\delta_{ij} \]

\[ \varepsilon^{vp}_m= \frac{1}{3}\varepsilon^{vp}_{kk} \]

Эксперименттик текшерүүдө табигый туз тек үлгүсү колдонулган. Үлгүнүн диаметри 200 mm, бийиктиги 400 mm. Үлгүнүн ичинде максималдуу диаметри 62,58 mm, бийиктиги 75,12 mm жана көлөмү 158,64 mL болгон кичине туз үңкүрү түзүлгөн. Экспериментте газ басымы 7-17 MPa аралыгында цикл түрүндө өзгөртүлүп, 5 цикл колдонулган.

Үч эксперимент шарты:

• T1 негизги топ: 23 MPa огулук/капталдык басым, 50 °C температура.
• T2 жогорку девиатордук чыңалуу тобу: 28,8 MPa огулук/капталдык басым, 50 °C температура.
• T3 жогорку температура тобу: 23 MPa огулук/капталдык басым, 65 °C температура.

Эксперименттик табылгалар:

• 5 циклдин аягында радиалдык деформация T1де %0,0159, T3тө %0,0245, T2де %0,0388 болгон.
• Жогорку температура сойлоп деформацияны тездеткен, жогорку девиатордук чыңалуу болсо андан да күчтүү деформация өсүшүн жараткан.
• Акустикалык эмиссия маалыматтарынан алынган зыян өзгөрмөсү S түрүндөгү жана сызыктуу эмес өсүш көрсөткөн.
• Жогорку девиатордук чыңалуу шартында 5. циклде зыян өзгөрмөсү \(D=0,076\) деңгээлине жетип, туруксуз зыян өнүгүү тенденциясын көрсөткөн.
• Газ агып кетиши зыяндын өнүгүшү менен шайкеш жүргөн.
• Жогорку девиатордук чыңалуу шартында 5. циклде топтолмо агып кетүү көрсөткүчү %0,105 деңгээлине чыккан.
• Модель параметрлери эксперименттик маалыматтар менен калибрленип, жалпы шайкештик \(R^2>0,92\) деңгээлинде берилген.

30 жылдык сандык талдоодо JK8-6 Jintan туз үңкүрү колдонулган. Үңкүрдүн бийиктиги болжол менен 89,7 m, максималдуу диаметри болжол менен 69,2 m. Туз катмары 995-1195 m тереңдик аралыгында жана болжол менен 200 m калыңдыкта.

Симуляциялык табылгалар:

• Газ айдап киргизүүдө үңкүрдүн борборунда температура болжол менен 68 °Cге чейин жогорулаган.
• Газ чыгарууда кеңейүү жана Joule-Thomson эффектинин айынан борбордук температура 45 °Cден төмөндөгөн.
• Жылуулук өзгөрүүсү үңкүр дубалына жакын жука термалык таасирленген аймакта топтолгон.
• Бул тар аймактагы кайталанган термалык чыңалуу микро жараканын башталышы жана зыянды тездетүүчү негизги физикалык механизм катары чечмеленген.

Үч эксплуатация сценарийинин 30 жылдык натыйжалары:

• 1 цикл/жыл: Максималдуу горизонталдык жылыш 2,37 m, жер отурушу 1,85 m, көлөмдүн кичирейиши %4,02. Созулуу коркунучу төмөн, \(SF>1,5\) көпчүлүк аймакта сакталган, \(D<0,1\) үстөм. Жалпы абал коопсуз жана көзөмөлдөнөт.
• 2 цикл/жыл: Жер отурушу 3,36 m, горизонталдык жылыш 2,65 m, көлөмдүн кичирейиши %14,32. Критикалык бекемдик жана зыян зоналары кеңейген. Кыска мөөнөттүү иштетүү контролдонуучу болушу мүмкүн, бирок 30 жылдык эксплуатация жергиликтүү туруксуздук коркунучун алып жүрөт.
• 3 цикл/жыл: Жер отурушу 4,54 m, горизонталдык жылыш 3,58 m, көлөмдүн кичирейиши %19,39. \(SF<1,0\) зоналары кеңейген, \(\varepsilon_{vp}>10\%\) аймактары пайда болгон жана кеңири зоналарда \(D>0,5\) босогосу ашкан. Узак мөөнөттүү стандарттык эксплуатация үчүн олуттуу түзүмдүк туруксуздук жана герметикалуулуктун жоголуу коркунучу бар.

Жалпысынан изилдөө туз үңкүрлөрүндө суутек сактоонун коопсуздугу сактоо басымы же үңкүр геометриясы менен гана эмес, иштетүү жыштыгы жана термо-механикалык чарчоонун топтолушу менен да аныкталарын көрсөтөт. Жогорку жыштыктагы эксплуатация кайра жаралуучу энергия интеграциясы үчүн жагымдуу болгону менен, узак мөөнөттүү тек зыяндары жана суутек герметикалуулугу жагынан этият чектелиши керек.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Бул мазмун Jiasong Chen, Zhekang Ding, Tongtao Wang, Youqiang Liao жана Tao He даярдаган “Thermo-Mechanical Damage and Stability of Underground Energy Storage Under High-Frequency Operations” аттуу изилдөө тексти негизинде даярдалды. Авторлордун мекемелеринин арасында Chongqing University, PipeChina Energy Storage Technology Co., University of Chinese Academy of Sciences жана Chinese Academy of Sciences курамындагы State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering бар.

Изилдөө текстинде ачык түрдө “This preprint research paper has not been peer reviewed” деген билдирүү бар. Ошондой эле SSRN электрондук көчүрмө маалыматы көрсөтүлгөн. Ошондуктан бул мазмунда изилдөө рецензиядан өтө элек preprint / алдын ала басылма изилдөө тексти катары бааланган.

Бул макала даярдалганда изилдөөнүн аннотациясы, киришүүсү, термо-механикалык зыяндуу Burgers модели, температура жана чыңалуу боюнча түзөтүүлөр, зыян эволюция теңдемеси, Mohr-Coulomb негизиндеги эквиваленттүү чыңалуу ыкмасы, лабораториялык физикалык симуляция эксперименттери, акустикалык эмиссия текшерүүсү, газ агып кетүү натыйжалары, модель калибрлөөсү, беш өлчөмдүү туруктуулук баалоо системасы, JK8-6 Jintan туз үңкүрүнүн 30 жылдык сандык симуляциялары жана жыйынтык бөлүмү негиз катары колдонулган.

Изилдөөдө жок талаа масштабындагы так суутек агып кетүү өлчөөлөрү, бардык туз үңкүрлөрү үчүн универсалдуу коопсуздук чеги же түз коммерциялык эксплуатация стандарты сыяктуу дооматтар кошулган жок. Табылгалар колдонулган модель божомолдору, лабораториялык текшерүү шарттары, JK8-6 үңкүрүнүн геометриясы жана 1-3 цикл/жыл эксплуатация сценарийлери алкагында бааланышы керек.