Численное моделирование напряженно-деформированного состояния вблизи нагнетательной скважины на пунктах глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью прогноза деформаций земной поверхности вблизи нагнетательных скважин, закачивающих жидкие радиоактивные отходы, а также их устойчивости при изменении давления в скважине в процессе закачки. Цель: с помощью метода конечных элементов произвести численный анализ напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов нагнетательной скважины, а также окружающего массива горных пород, определить величины деформаций земной поверхности и оценить устойчивости скважины и прочности цементного камня при максимальном давлении нагнетания жидких радиоактивных отходов. Объекты: околоскважинная зона одной из нагнетательных скважин, расположенных на пунктах или полигонах глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов. Методы: численный конечно-элементный метод расчета напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны с учетом распределения упругих свойств пород по моделируемому разрезу и основных конструктивных элементов скважины. Результаты. Разработана численная конечно-элементная схема одной из нагнетательных скважин с учетом ее основных конструктивных элементов, позволяющая задавать распределение давления внутри эксплуатационного горизонта в процессе закачки отходов. В модели задавалось распределение упругих свойств пород по разрезу с учетом их литологических особенностей. Проведен анализ гидродинамических показателей работы скважины и определено максимальное давление на устье скважины при закачке жидких радиоактивных отходов, равное 1,71 МПа. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны в два этапа: для условий неработающей скважины и с учетом распределения давления при максимальном давлении нагнетания отходов. Получено распределение вертикальных перемещений на уровне земной поверхности, а также на кровле эксплуатационного горизонта при максимальном давлении закачки жидких радиоактивных отходов. Показано, что при таком давлении наибольшие поднятия составят: на земной поверхности - 4,5 см, на кровле эксплуатационного горизонта - 11 см. Оценка устойчивости конструктивных элементов скважины на максимальной глубине нагнетания отходов 280 м, соответствующей максимальному давлению, показала, что напряжения в скважине и цементном камне гораздо ниже значений, которые могут привести к их нарушению. Для цементного камня коэффициент запаса прочности при максимальном давлении 1,71 МПа составил 7,8

Relevance. The need to predict deformations of the earth's surface near injection wells pumping liquid radioactive waste, as well as their stability when pressure changes in the well during injection. Aim. To perform a numerical analysis of the stressstrain state of the structural elements of the injection well and the surrounding rock mass using the finite element method, to determine the magnitude of the deformations of the earth's surface and define the stability of the well and the strength of the cement stone at the maximum injection pressure of liquid radioactive waste. Objects. Near-wellbore zone of one of the injection wells located at the liquid radioactive waste injection site. Methods. Numerical finite element method for calculating the stressstrain state of the near-wellbore zone, taking into account the distribution of the elastic properties of rocks along the simulated section and the main structural elements of the well. Results. The authors have developed the numerical finite element scheme of one of the injection wells, taking into account its main structural elements, as well as allowing you to set the pressure distribution within the exploited horizon during the injection of waste. In the model, the distribution of the elastic properties of rocks along the section was set, taking into account their lithological features. The authors carried out the analysis of the hydrodynamic parameters of the well operation and determined the maximum pressure at the wellhead during the injection of liquid radioactive waste, equal to 1.71 MPa. Numerical modeling of the stress-strain state of the near-wellbore zone was performed in two stages: for the conditions of an idle well and taking into account the pressure distribution at the maximum waste injection pressure. The distribution of vertical displacements at the level of the earth's surface, as well as at the top of the operational horizon at the maximum pressure of liquid radioactive waste injection, is obtained. It is shown that at such a pressure, the largest uplifts will be: on the earth's surface - 4.5 cm, on the top of the production horizon - 11 cm. An assessment of the stability of the well structural elements at a maximum waste injection depth of 280 m, corresponding to the maximum pressure, showed that the stresses in the well and cement stone are much lower than the values that can lead to their violation. For cement stone, the safety factor at a maximum pressure of 1.71 MPa was equal to 7.8