Wpływ uziarnienia soli kamiennych na tempo zaciskania się kawern solnych

• Autorzy: Słotwiński Michał , Adamuszek Marta

Warianty tytułu

EN

Correlation between the rock-salt grain size and the rate of underground cavern convergence

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Tempo konwergencji podziemnych magazynów solnych jest jednym z parametrów warunkujących ich długotrwałą stabilność. Pełzanie dyslokacyjne jest powszechnie uważane za główny mechanizm deformacji w solach kamiennych odpowiedzialny za konwergencję kawern. Jest to związane głównie z faktem, że mechanizm ten dominuje dla deformacji związanej z dużymi naprężeniami różnicowymi, które są spodziewane podczas eksploatacji takich kawern. Przedstawiona w artykule analiza wskazuje, że dla szerokich zakresów możliwych stanów naprężeń w magazynach pełzanie dyfuzyjne może być drugim istotnym mechanizmem deformacji. Jest to szczególnie istotne dla kawern, w których magazynowane są substancje gazowe, gdyż stan naprężeń waha się istotnie w zależności od poziomu wypełnienia gazem. Analiza danych z sześciu otworów wiertniczych na terenie wyniesienia Łeby wykazała, że przy uwzględnieniu pełzania dyfuzyjnego tempa odkształcenia, a co za tym idzie, tempa zaciskania się kawerny, w niektórych częściach profilu mogą być znacznie wyższe niż w przypadku obliczeń opartych wyłącznie na zjawisku pełzania dyslokacyjnego. Różnica ta może sięgnąć nawet kilku rzędów wielkości. Szczególnie istotną cechą jest tu rozmiar uziarnienia, który ma kluczowe znaczenie dla intensywności pełzania dyfuzyjnego. Przedstawione w artykule badania wskazują, że dla prawidłowej oceny tempa zaciskania się kawern istotne jest uwzględnienie dwóch mechanizmów deformacji zarówno pełzania dyslokacyjnego jak i dyfuzyjnego

EN

Convergence rate is one of the important parameters that influence the long-term stability of underground storage caverns situated in rock-salt deposits. Dislocation creep is generally considered to be the main deformation mechanism responsible for the cavern convergence. This is mainly related to the fact that dislocation creep dominates during the deformation process, at high differential stresses that are expected to occur around the salt cavern. However, in this paper, we present an analysis showing that, at large ranges of probable differential stresses around the caverns, diffusion creep can also become a significant deformation mechanism. That is of special importance for gas storage cavern construction, since the stress state around the cavern is highly dependent on the pressure of gas within the cavern, and the latter varies significantly throughout the gas injection-withdrawal cycle. Our analysis of the data collected from six selected boreholes located in the Łeba Elevation (northern Poland) shows that incorporation of the diffusion creep in the convergence rate calculation can lead to significantly higher values, as compared to our analysis when only dislocation creep is considered. The difference can reach several orders of magnitude. The salt grain size is especially important since it strongly influences the pressure solution creep. Our paper shows that both dislocation and diffusion creep should be employed in the study intended to obtain accurate prediction of cavern convergence rates.

Słowa kluczowe

PL

sól kamienna; pełzanie dyfuzyjne; pełzanie dyslokacyjne; wyniesienie Łeby; kawerny magazynowe; konwergencja kawern

EN

rock salt; diffusion creep; Łeba Elevation; underground storage caverns; cavern convergence

• Wydawca: Polskie Stowarzyszenie Górnictwa Solnego
• Czasopismo: Przegląd Solny
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 17
• Strony: 117--138
• Opis fizyczny: Bibliogr. 53 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Słotwiński Michał

• Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy, Centrum Modelowania Procesów Geologicznych, al. Jaworowa 19, 53-122 Wrocław
• Uniwersytet Wrocławski, Instytut Nauk Geologicznych, ul. W. Cybulskiego 32, 50-205 Wrocław

autor

Adamuszek Marta

• Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy, Centrum Modelowania Procesów Geologicznych, al. Jaworowa 19, 53-122 Wrocław

Bibliografia

• Adamuszek, M., Tămaş, D.M., Barabasch, J., Urai, J.L., 2021. Rheological stratification in impure rock salt during long-term creep: morphology, microstructure, and numerical models of multilayer folds in the Ocnele Mari salt mine, Romania. Solid Earth 12, 2041–2065. https://doi.org/10.5194/se-12-2041-2021
• Barabasch, J., Schmatz, J., Klaver, J., Schwedt, A., Urai, J.L., 2022. Grain size dependent large rheology contrasts of halite at low deviatoric stress: evidence from microstructural study of naturally deformed gneissic Zechstein-2 rock salt (Kristallbrockensalz) from the Northern Netherlands. preprint. Tectonic plate interactions, magma genesis, and lithosphere deformation at all scales/Structural geology and tectonics, paleoseismology, rock physics, experimental deformation/Structural geology. https://doi.org/10.5194/egusphere-2022-655
• Baumann, T., Kaus, B., Popov, A., Urai, J., 2020. The 3D stress state within typical salt structures. EGU General Assembly
• Bérest, P., Brouard, B., 2003. Safety of Salt Caverns Used for Underground Storage Blow Out; Mechanical Instability; Seepage; Cavern Abandonment. Oil & Gas Science and Technology 58, 361–384. https://doi.org/10.2516/ogst:2003023
• Böttcher, N., Görke, U.-J., Kolditz, O., Nagel, T., 2017. Thermomechanical investigation of salt caverns for short-term hydrogen storage. Environmental Earth Sciences 76, 98. https://doi.org/10.1007/s12665-017-6414-2
• Caglayan, D.G., Weber, N., Heinrichs, H.U., Linßen, J., Robinius, M., Kukla, P.A., Stolten, D., 2020. Technical potential of salt caverns for hydrogen storage in Europe. International Journal of Hydrogen Energy 45, 6793–6805. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.12.161
• Cała, M., Cyran, K., Kowalski, M., Wilkosz, P., 2018. Influence of the anhydrite interbeds on a stability of the storage caverns in the Mechelinki salt deposit (Northern Poland). Archives of Mining Sciences 1007–1025.
• Carter, N., Horseman, S., Russell, J., Handin, J., 1993. Rheology of rocksalt. Journal of Structural Geology 15, 1257–1271.
• Cornet, J., Dabrowski, M., Schmid, D.W., 2017. Long-term cavity closure in non-linear rocks. Geophysical Journal International 210, 1231–1243. https://doi.org/10.1093/gji/ggx227
• Cornet, J.S., Dabrowski, M., Schmid, D.W., 2018. Long term creep closure of salt cavities. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 103, 96–106. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2018.01.025
• Cyran, K., Kowalski, M., 2021. Shape modelling and volume optimisation of salt caverns for energy storage. Applied Sciences 11, 423.
• Czapowski, G., 1987. Sedimentary facies in the oldest rock salt (Na1) of the Leba elevation (Northern Poland). The Zechstein Facies in Europe. Springer, 207–224.
• Czapowski, G., 1998. Geneza najstarszej soli kamiennej cechsztynu w rejonie Zatoki Puckiej (studium sedymentologiczne). Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.
• Czapowski, G., 2019. Perspektywy lokowania kawern magazynowych wodoru w pokładowych wystąpieniach soli kamiennych górnego permu (cechsztyn) w Polsce–ocena geologiczna. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego.
• Czapowski, G., Tomassi-Morawiec, H., 1985. Sedymentacja i geochemia najstarszej soli kamiennej w rejonie Zatoki Puckiej. Przegląd Geologiczny 33, 663–670.
• Czapowski, G., Tomassi-Morawiec, H., 2006. Geologia permskiego pokładowego złoża soli kamiennej w rejonie Zatoki Gdańskiej—aktualny stan wiedzy. Przegląd Geologiczny 54, 309–310.
• Czapowski, G., Tomassi-Morawiec, H., Peryt, T., Tomaszczyk, M., Chełmiński, J., 2009. Złoża permskiej soli kamiennej i potasowej w rejonie Zatoki Puckiej–budowa geologiczna i zasoby. Przegląd Geologiczny 57, 757–758.Dreyer, W., 1982. Underground storage of oil and gas in salt deposits and other non-hard rocks.
• Fokker, P.A., Breunese, J.N., 2022. Single-cavern convergence for an Ellis 2-branch power-law model. The Mechanical Behavior of Salt X. CRC Press, 384–394.
• Habibi, R., Moomivand, H., Ahmadi, M., Asgari, A., 2021. Stability analysis of complex behavior of salt cavern subjected to cyclic loading by laboratory measurement and numerical modeling using LOCAS (case study: Nasrabad gas storage salt cavern). Environmental Earth Sciences 80, 1–21.
• Heard, H.C., 1972. Steady-state flow in polycrystalline halite at pressure of 2 kilobars. Washington DC American Geophysical Union Geophysical Monograph Series 16, 191–209.
• Heard, H.C., Ryerson, F., 1986. Effect of cation impurities on steadystate flow of salt. Mineral and Rock Deformation: Laboratory Studies 36, 99–115.
• Heusermann, S., Rolfs, O., Schmidt, U., 2003. Nonlinear finite-element analysis of solution mined storage caverns in rock salt using the LUBBY2 constitutive model. Computers & Structures 81, 629–638. https://doi.org/10.1016/S0045-7949(02)00415-7
• Horseman, S., Russell, J., Handin, J., Carter, N., 1992. Slow experimental deformation of Avery Island salt. Proceedings of the Seventh International Symposium on Salt, Kyoto, Japan. 67e74.
• Hunsche, U., 1994. Uniaxial and Triaxial Creep and Failure Tests on Rock: Experimental Technique and Interpretation. W: Cristescu, N.D., Gioda, G. (Red.), Visco-Plastic Behaviour of Geomaterials. Springer Vienna, Vienna, 1–53. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-2710-0_1
• Jackson, M.P., Hudec, M.R., 2017. Salt tectonics: Principles and practice. Cambridge University Press.
• Jarosiński, M., 2009. Ocena stabilności pokŁadów soli cechsztyńskiej na wyniesieniu Łeby pod kątem lokalizacji magazynów paliw płynnych. Przegląd Geologiczny 57, 763.
• Kim, Y., Lee, C., Lee, Y., 2018. Numerical analysis of sedimentary compaction: Implications for porosity and layer thickness variation. Journal of the Geological Society of Korea 54, 631–640. https://doi.org/10.14770/jgsk.2018.54.6.631
• Kłeczek, Z., Radomski, A., Zeljaś, D., 2005. Podziemne magazynowanie. CMAG KOMAG, Gliwice.
• Kumar, K.R., Hajibeygi, H., 2022. Influence of pressure solution and evaporate heterogeneity on the geo-mechanical behavior of salt caverns. The Mechanical Behavior of Salt X. CRC Press, 407–420.
• Kunstman, A., Poborska-M\lynarska, K., Urbańczyk, K., 2009. Geologiczne i górnicze aspekty budowy magazynowych kawern solnych. Przegląd geologiczny 57, 819–928.
• Liu, W., Zhang, Z., Fan, J., Jiang, D., Daemen, J.J.K., 2020. Research on the Stability and Treatments of Natural Gas Storage Caverns With Different Shapes in Bedded Salt Rocks. IEEE Access 8, 18995–19007. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2967078
• Majorowicz, J., 1971. Przebieg wartości stopnia geotermicznego w Polsce w przedziale g\lębokości 200-2500. Geological Quarterly 15, 891–900.
• Makhmutov, A.A., Kumar, K.R., Spiers, C.J., Hajibeygi, H., 2020. Cyclic Energy Storage in Salt Caverns: nonlinear finite-element modelling of rock salt creep at reservoir scale.
• Marketos, G., Spiers, C.J., Govers, R., 2016. Impact of rock salt creep law choice on subsidence calculations for hydrocarbon reservoirs overlain by evaporite caprocks: ROCK SALT FLOW AND SUBSIDENCE OVER GAS FIELDS. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 121, 4249–4267. https://doi.org/10.1002/2016JB012892
• Peryt, T.M., 1994. The anatomy of a sulphate platform and adjacent basin system in the Leba sub-basin of the Lower Werra Anhydrite (Zechstein, Upper Permian), northern Poland. Sedimentology 41, 83–113.
• Pizon, A., Peryt, T.M., Dębski, J., 1985. Środowisko powstania polihalitów cechsztyńskich w rejonie Zatoki Puckiej. Przegląd Geologiczny 33, 659–663
• Poborski, J., 1961. System permski na tzw. wyniesieniu. Łeby i związane z nim możliwości górnicze. Przegląd Geologiczny 9, 346.
• Pożaryski, W., Witkowski, A., 1990. Budowa geologiczna obszaru po\ludniowoba\ltyckiego (bez kenozoiku). Przegląd Geologiczny 38, 221.
• Pudewills, A., 1984. Model calculations of stresses and deformations in rock salt in the near field of heated borehols. Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH (Germany.
• Pudewills, A., 2017. Modeling of hydro-mechanical behavior of rock salt in the near field of repository excavations. The Mechanical Behavior of Salt–Understanding of THMC Processes in Salt. CRC Press, 195–200.
• Spiers, C., Schutjens, P., Brzesowsky, R., Peach, C., Liezenberg, J., Zwart, H., 1990. Experimental determination of constitutive parameters governing creep of rocksalt by pressure solution. Geological Society, London, Special Publications 54, 215–227.
• Ślizowski, J., Lankof, L., Urbańczyk, K., Serbin, K., 2017. Potential capacity of gas storage caverns in rock salt bedded deposits in Poland. Journal of Natural Gas Science and Engineering 43, 167–178. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2017.03.028
• Taheri, S.R., Pak, A., Shad, S., Mehrgini, B., Razifar, M., 2020. Investigation of rock salt layer creep and its effects on casing collapse. International Journal of Mining Science and Technology 30, 357–365.
• Ter Heege, J.H., De Bresser, J., Spiers, C., 2005a. Rheological behaviour of synthetic rocksalt: the interplay between water, dynamic recrystallization and deformation mechanisms. Journal of Structural Geology 27, 948–963.
• Ter Heege, J.H., De Bresser, J.H.P., Spiers, C.J., 2005b. Dynamic recrystallization of wet synthetic polycrystalline halite: dependence of grain size distribution on flow stress, temperature and strain. Tectonophysics 396, 35–57. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2004.10.002
• Urai, J., Schléder, Z., Spiers, C., Kukla, P., 2008. Flow and transport properties of salt rocks. Dynamics of complex intracontinental basins: The central European basin system 277–290.
• Urai, J.L., Spiers, C.J., Zwart, H.J., Lister, G.S., 1986. Weakening of rock salt by water during long-term creep. Nature 324, 554–557. https://doi.org/10.1038/324554a0
• Wagner, R., 1988. Ewolucja basenu cechsztyńskiego w Polsce. Geological Quarterly 32, 33–52.
• Wang, G., 2003. Long-term deformation characters of salt rock surrounding a gas storage cavern. CHINESE JOURNAL OF GEOTECHNICAL ENGINEERING-CHINESE EDITION- 25, 431–435.
• Werner, Z., 1978. Dokumentacja geologiczna złoża soli kamiennej w kat. C1, w rejonie Zatoki Puckiej, województwo gdańskie.
• Wilkosz, P., Burliga, S., Grzybowski, Ł., Kasprzyk, W., 2012. Comparison of internal structure and geomechanical properties in horizontally layered Zechstein rock salt. W: Bérest, P., Ghoreychi, M., Hadj-Hassen, F., Tijani, M. (Red.), Mechanical Behaviour of Salt VII. CRC Press, 103–110.
• Zhang, G., Li, Y., Daemen, J.J.K., Yang, C., Wu, Y., Zhang, K., Chen, Y., 2015. Geotechnical Feasibility Analysis of Compressed Air Energy Storage (CAES) in Bedded Salt Formations: a Case Study in Huai’an City, China. Rock Mechanics and Rock Engineering 48, 2111–2127. https://doi.org/10.1007/s00603-014-0672-z