Том 335 № 10 (2024)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2024/10/4499
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния вблизи нагнетательной скважины на пунктах глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов
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.
Ключевые слова:
напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов, нагнетательная скважина, жидкие радиоактивные отходы, околоскважинная зона, вертикальные перемещения, коэффициент запаса прочности