KŐZETMECHANIKAI FELADATOK AZ ENERGIAGAZDÁLKODÁS TUDOMÁNYOS MŰHELYBEN ROCK MECHANICAL TOPICS WITHIN THE ENERGY MANAGEMENT SCIENTIFIC WORKSHOP

Átírás

1 Műszaki Földtudományi Közlemények, 84. kötet, 1. szám (2013), pp KŐZETMECHANIKAI FELADATOK AZ ENERGIAGAZDÁLKODÁS TUDOMÁNYOS MŰHELYBEN ROCK MECHANICAL TOPICS WITHIN THE ENERGY MANAGEMENT SCIENTIFIC WORKSHOP DEBRECZENI ÁKOS 1 CSUHANICS BALÁZS 2 Absztrakt: A felsőoktatás minőségének javítása kiválósági központok fejlesztésére alapozva a Miskolci Egyetem stratégiai kutatási területein (TÁMOP B-10/2/KONV ) pályázati projekt Energiagazdálkodás Tudományos Műhelyén belül létrejött a Termeléshez és besajtoláshoz kapcsolódó kőzetmechanikai kérdések K+F műhely. Tanulmányunkban röviden összefoglaljuk kutatócsoportunk elméleti és gyakorlati eredményeit, melyeket mára már az oktatásba is beépítettünk. Kulcsszavak: primer kőzetfeszültség, kőzetrepesztés, automatikus mérési adatgyűjtő rendszer, többlépcsős triaxiális vizsgálat Abstract: The Rock mechanical issues concerning exploitation and injection R+D workshop established within the Energy Management Scientific Workshop founded on the application project of Improving the quality of the higher education based on the development centres of excellence in the strategic research fields of the University of Miskolc (TÁMOP B-10/2/KONV ). We summarized in this paper the practical and theoretical results of our research group, which we have already built into the education. Keywords: primary stress, hydrofrac, automatic data acquisition system, multi-stage triaxial test 1. Nem konvencionális szénhidrogén-tárolók kőzeteinek és a kőzetrepesztések mechanikájának vizsgálata 1.1. A kutatás tárgyának aktualitása Az utóbbi évtizedben egyre inkább az ún. nem konvencionális szénhidrogén (CH)- tárolók felé fordult a figyelem. Ennek az egyik fontos oka, hogy a szakemberek előrejelzései szerint a hagyományos módszerekkel kitermelhető ismert CH-készletek csökkennek, azaz a kitermelés mértékét nem érik el az újonnan felfedezett készletek. A másik nagyon fontos ok, hogy az ismert nem konvencionális készletek földrajzi eloszlása 1 DR. DEBRECZENI ÁKOS, egyetemi docens Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Bányászati és Geotechnikai Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros bgtda@uni-miskolc.hu 2 CSUHANICS BALÁZS, tanársegéd Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Bányászati és Geotechnikai Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros bgtcsb@uni-miskolc.hu

2 84 Debreczeni Ákos Csuhanics Balázs sokkal egyenletesebb, mint a konvencionális készleteké, így az új technológiákat alkalmazó országok csökkenthetik vagy akár meg is szüntethetik energiafüggőségüket. Napjainkban az Egyesült Államok É-i területein sikerrel termelik ki a köznyelven olajpala -ként emlegetett nem konvencionális készleteiket. A világ különböző tájain ismert előfordulások azonban nagyon különbözőek. Magyarországon is több nem konvencionális előfordulást tartanak számon a geológusok, melyek közöl a Makói-árok a legismertebb. A jelentősen eltérő települési és kőzetviszonyok miatt azonban a máshol sikeres technológiákat nem lehetett közvetlenül adaptálni. Azok a cégek, amelyek mára már rutinszerűen termelik Észak-Amerika nem konvencionális telepeit, nem jártak sikerrel hazánkban. Az előfordulások termelési technológiájának kidolgozásához nélkülözhetetlenné válnak a sokoldalú kőzetmechanikai ismeretek. Nagymélységű repesztések sikeres végrehajtásához elengedhetetlenül fontos a kőzetkörnyezet in situ feszültségállapotának ismerete. Igen nagy mélységben (pl. Makói-árok) a kőzetkörnyezet szilárdságának befolyásoló hatása eltörpül az in situ feszültségek hatása mellett A kutatás során vizsgált tématerületek A magyarországi palagáz előfordulásokat nagy mélység jellemzi (a Makói-árokban mintegy 6000 m), így a kőzetrepesztések tervezésénél meghatározó az in situ feszültségek szerepe. Ennek megfelelően a primer kőzetfeszültség-elméletek elemzésével kezdtük a munkát. A kőzetlemez mozgások, a lepusztulási folyamatok, a vulkáni tevékenységek miatti jelentős kőzethőmérséklet-változások, az anizotrópia mind-mind olyan tényezők, melyek jelentősen befolyásolják az in situ feszültségeket. Foglalkoztunk a primer feszültségek mérési módszereivel és azzal, hogy a mérőhelyek számától és geometriai elhelyezésétől függően a feszültségtenzor mely elemeit lehet meghatározni. A kutatást a kőzetrepesztések mechanikájának elemzésével folytattuk. A kőzetrepesztéseket jellemzően fúrólyukakból hajtják végre, melyek lehetnek vertikálisak és horizontálisak is. A repesztés kőzetmechanikai leírásához, az in situ feszültségek mellett, ismerni kell a kőzetkörnyezet szilárdsági jellemzőit, és meg kell választani a jelenség tárgyalására alkalmas törési kritériumot. A Miskolci Egyetem Bányászati és Geotechnikai Intézetében Somosvári professzor vezetésével már korábban is foglalkoztunk a fúrólyukak tönkremenetelének leírásával különböző törési kritériumok alkalmazásával. Ezekre a korábbi tapasztalatokra alapoztuk jelen kutatást is. A mélyfúrásokból származó fúrómagokat a nyomási és hőmérsékleti viszonyok megváltozása miatt jelentős terhelések érik felszínre hozásuk során. További vizsgálataink során arra kerestük a válasz, hogy mely a felszíni- és mélybányászatban, alagútépítésben használatos repedezettség értékelési módszereket lehet a mélyfúrásoknál is alkalmazni. A felszínre hozott fúrómagok repedezettsége nem csak a kőzetben in situ meglévő repedésrendszertől függ, hanem a fúrásmódtól, a fúrószerszám állapotától, az alkalmazott magcső tulajdonságaitól és nem utolsósorban a személyzet gyakorlottságától. Mélyfúrások esetében ehhez adódnak hozzá a jelentős in situ feszültségek felszabadulásából és a hőmérséklet-változásból származó alakváltozási feszültségek.

3 Kőzetmechanikai feladatok az Energiagazdálkodás Tudományos Műhelyben Vizsgálati módszerek A kutatások döntő része a nemzetközi szakirodalomban fellelhető adatok feldolgozásával folyt. Magyarországon is végeztek már in situ feszültségméréseket a föld alatti hulladékelhelyezéshez kapcsolódóan, először a bodai aleurolit formációban, majd a kis és közepes radioaktivitású hulladékok tárolójának építése kapcsán Bátaapátiban. Közvetett információkat nyerhetünk még a fúrólyukakban megfigyelt lyukfal-deformációk, a kőzetkörnyezet repedésrendszere és a földrengések fészekmechanizmusának elemzése kapcsán. A munka során igyekeztünk mindezeket az adatokat összegyűjteni és feldolgozni. Jelentősen hozzájárult a kutatás sikeréhez az a laboratóriumi fejlesztés, amelyről a cikk második részében számolunk be. A kőzetjellemzők pontos meghatározása az in situ feszültségmérések kiértékelésének is elengedhetetlen feltétele A kutatás eredményei A kutatás eredményeit 10 db folyóiratcikkben foglaltuk össze (Dr. Debreczeni Ákos és Csuhanics Balázs szerzők tollából megjelent cikkek) és számos hazai, illetve nemzetközi konferencián tartottunk előadásokat. A munka során mindig arra törekedtünk, hogy az eredmények minél inkább beilleszthetőek legyenek az oktatásba. Az alapokkal megismerkedhetnek a műszaki földtudományi BSc és a környezetmérnöki BSc szak hallgatói, illetve az in situ feszültségek mérési módszereivel részletesen foglalkozunk a bánya- és geotechnikai szakos hallgatók MSc képzése során. Nagyon valószínű, hogy a közeljövőben Magyarország is fel fogja használni nem konvencionális készleteiből a palagázt is energiaszükségleteinek kielégítésére, energiafüggőségének csökkentésére. Ez a kutatás is hozzájárult ahhoz, hogy a hazai szakemberek (a Miskolci Egyetem kutatói és az itt végzett hallgatók) felkészültebbek legyenek az ilyen tárolók művelésbe állításához szükséges kőzetrepesztési technológia hazai viszonyokhoz alkalmazkodó honosítására, fejlesztésére. 2. A kőzetmechanikai laboratóriumok fejlesztése 2.1. A fejlesztések szükségessége A földkéreg szárazulatainak 2,7 g/cm 3 -es átlagos sűrűségéből adódóan 4000 m mélységben az uralkodó függőleges főfeszültség 108 MPa-ra, a vízszintes főfeszültségek ennek felére becsülhetőek. Ezek a becsült értékek is mutatják, hogy a nagy mélységekben uralkodó feszültségviszonyok laboratóriumi szimulációjához már nagy oldalnyomás (több száz bar) előállítására képes vizsgálóberendezés szükséges. Gyakorlati oldalról az teszi szükségessé az ilyen magas oldalnyomás előállításának képességét, hogy a felszínhez közeli, kis mélységben elhelyezkedő szénhidrogén mezők kimerülésével a kitermelés egyre mélyebb rétegekből történik. Ezzel párhuzamosan, ha a tisztaszén technológiák során a CO 2 letárolását kimerült szénhidrogénmezőkbe tervezzük, egyre nagyobb mélységű besajtoló

4 86 Debreczeni Ákos Csuhanics Balázs kutaknál kell biztosítani a fúrólyuk állékonyságát, azaz egyre magasabb oldalnyomásokkal kell számolni. Ezen kutatásoknál kiemelt szerepe van a kőzetmechanikának, hiszen a mélyszinti formációkban történő CO 2 -tárolásnál a fúrólyuk stabilitása miatt ismerni kell a primer feszültségmezőt. A primer kőzetfeszültség-mérések in situ adatainak értelmezéséhez nélkülözhetetlenek az ép kőzetmagokon laboratóriumban elvégzett szilárdsági vizsgálatok. Ezen vizsgálati igényeket felmérve került kijelölésre a kőzetmechanikai laboratóriumok fejlesztésének irányvonala Az automatikus mérési adatgyűjtő rendszerek üzembe állítása Mint az Intézetünk egyik kiemelt fejlesztése, legújabb, Controls gyártmányú mérőrendszerünk a korábban részletezett igények figyelembevételével került beszerzésre. A rendszer az Advantest9 mérőrendszerhez kapcsolódó 3000 kn-os, 250 kn-os és 15 kn-os terhelőkeretekből, 150 kn-os névleges terhelhetőségű hajlítógépből, munkaállomásból, valamint a Sercomp7, névlegesen 700 bar oldalnyomás előállítására képes triaxiális egységből épül fel. A mérés teljes folyamata számítógépről vezérelhető. A már meglévő és a kőzetmechanikai vizsgálólaboratórium gerincét jelentő, 1960-as években gyártott terhelő berendezések (törőgépek) fejlesztésének első lépcsőjében C3-as pontossági osztályú Hottinger Baldwin Messtechnik gyártmányú erőmérő cellák, egycsatornás mérőerősítők, továbbá induktív tapintós útadók kerültek beszerzése. A második lépcsőben HBM gyártmányú QuantumX mérőerősítőt és QuantumX, illetve Catman Easy jelfeldolgozó-kiértékelő szoftvereket szereztünk be. A kutatás első szakaszában a kitűzött cél a Controls, illetve HBM gyártmányú automatikus mérési adatgyűjtő rendszerek üzembe állítása volt. Az automatikus mérési adatgyűjtő rendszerek használata során az alábbi megfigyeléseket tehettük: megvalósult a valós idejű adatgyűjtés a HBM rendszer esetében választható mintavételi sűrűséggel (frekvenciával); könnyen felhasználható, kompatibilis adatbázis hozható létre mindkét rendszer kiértékelő szoftverével; egyszerű a kapcsolatteremtés az adatgyűjtő rendszerek és a számítógépen futó szoftverek között; a Controls rendszer esetében a mérés teljes folyamata számítógépről vezérelhető A többlépcsős triaxiális mérésekhez szükséges berendezés üzembe állítása A már meglévő rendszerek mellé tervezett vizsgálóberendezés beszerzésénél fontos szempont volt, hogy alkalmas legyen többlépcsős triaxiális mérések elvégzésére. A laboratóriumi triaxiális mérések során közelíthetőek azok a feszültségállapotok, amelyek a kőzetet természetes állapotban a földkéregben terhelték, így a kőzet tulajdonságait a természetes feszültségállapothoz közeli állapotban vizsgálhatjuk. A többlépcsős mérési eljárás erőssége elsősorban akkor mutatkozik meg, amikor drágán juthatunk kevés kőzetanyaghoz, és ebből a kevés mintából kell elegendő információt kinyerni. Ez elsősorban nagymélységű fúrások kőzeteinek vizsgálatánál kritikus kérdés.

5 Kőzetmechanikai feladatok az Energiagazdálkodás Tudományos Műhelyben 87 Az általunk használt olasz Controls mérőrendszer fejlett nyomásszabályozó rendszere alkalmassá teszi a berendezést többlépcsős triaxiális vizsgálatok lefolytatására is, melyek során a mintára adott többirányú terhelés (palástnyomás és axiális terhelés) összehangoltan szabályozható. A mérés teljes folyamatát a többlépcsős triaxiális mérések számára kifejlesztett TriaxRocks szoftver irányítja. A többlépcsős triaxiális mérés vezérléséhez a gyártó, az igényeinknek megfelelően, észrevételeink figyelembevételével, fejlesztette ki a TriaxRocks szoftvert, melynek bétatesztelésén személyesen vettünk részt Milánóban. Mivel a terhelőkeret a gyártó elsősorban betonvizsgálatokhoz fejlesztette ki, ezért számos módosítást kellett kidolgozni a mérési beállítások során. A próbamérésekhez eltérő típusú kőzetanyagokat használtunk annak érdekében, hogy mind szívós, mind rideg kőzetek esetében tapasztalatokat szerezhessünk a megfelelő gépbeállításokkal és a célszerű vezérlési mód megválasztásával kapcsolatban. Az 1. ábra riolit mintatesttel végzett, három felterhelési, illetve három leterhelési lépcsőből álló vizsgálat eredményét mutatja. 1. ábra. Riolit mintatesttel végzett többlépcsős triaxiális vizsgálat tengelyirányú feszültség tengelyirányú alakváltozás görbéje

6 88 Debreczeni Ákos Csuhanics Balázs A mérőrendszer valós idejű adatfeldolgozása lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy a szubjektív megítélésen alapuló manuális vezérlési üzemmódból automatikus üzemmódba kapcsolhasson át. Az adott méréshez leginkább megfelelő mérési üzemmódot (manuális vagy automatikus), illetve vezérlő jelet (induktív útadót, mérőbélyeget) a próbatest homogenitása, szívóssága, felületi tulajdonságai alapján lehet megválasztani A kőzetmechanikai vizsgálólaboratórium fejlesztés eredményeinek összefoglalása Ami a kőzetmechanikai vizsgálólaboratórium fejlesztését illeti, a mérőerősítő és jelfeldolgozó rendszer, illetve a nagy pontosságú méréstechnikai berendezések integrálásával sikerült megvalósítani a valós idejű adatfeldolgozást. Lehetővé vált az elmozdulások, alakváltozások, terhelőerők és nyomásértékek együttes mérése, a mért értékpárok egyszerre történő leolvasása, regisztrálása. Próbamérésekkel igazoltuk, hogy immár többlépcsős triaxiális mérések elvégzésére is lehetőség nyílik. A jövőre néző kutatási célok egyike minél több többlépcsős triaxiális mérés elvégzése annak érdekében, hogy minél több kőzettípusra határozzuk meg a megfelelő gépbeállítási paramétereket. Köszönetnyilvánítás,,A tanulmány a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. IRODALOMJEGYZÉK, A KUTATÁS EREDMÉNYEKÉPPEN MEGJELENT IRODALMAK [1] Debreczeni Ákos: Kőzetek szilárdsági és rugalmassági jellemzőinek meghatározása különböző kőzetkörnyezetben kialakított fúrólyukak állékonyságának vizsgálatához. In: Geotudományok. A Miskolci Egyetem Közleménye: A Sorozat, Bányászat 80: pp (2011) [2] Csuhanics Balázs: Diszkontinuitások befolyása kőzetfalak (rézsűk) állékonyságára, illetve a szükséges paraméterek meghatározása automatikus mérési adatgyűjtő rendszer alkalmazásával. In: A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 80. Kötet, Miskolc, (2011) [3] Debreczeni Ákos: Kőzetek tönkremeneteli hatásgörbéiről. Remarks on the Failure Curves of Rocks In: Wanek Ferenc Gagyi Pálffy András Varga Béla (szerk.): XIII. Bányászati, Kohászati és Földtani Konferencia. 13th Mining, Metallurgy and Geology Conference. Gyergyószentmiklós, Románia, március 31. április 03. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, pp [4] Debreczeni Ákos Csuhanics Balázs: A szén-dioxid formációkban történő elhelyezésének kőzetmechanikai vonatkozásai. In: A Magyar Tudomány Ünnepe Földtudományos Forgatag, Miskolci Egyetem, poszterkiállítás, november 06. [5] Csuhanics Balázs Debreczeni Ákos: Új mérési rendszerek üzembe állítása a kőzetmechanikai laboratóriumokban. In: Szűcs Péter Tompa Richárd (szerk.): Doktoranduszok Fóruma Műszaki Földtudományi Kar Szekciókiadvány: Kiadó: Miskolci Egyetem Tudományszervezési és Nemzetközi Osztály Miskolc, november 08. Miskolc, pp

7 Kőzetmechanikai feladatok az Energiagazdálkodás Tudományos Műhelyben 89 [6] Debreczeni Ákos Csuhanics Balázs: Kőzetmechanikai laboratórium fejlesztése a Miskolci Egyetem Bányászati és Geotechnikai Intézetében. ( Development of Rock Mechanical Laboratory of Institution of Mining and Geotechnical Engineering, University of Miskolc ) In: Wanek Ferenc Gagyi Pálffy András Varga Béla (szerk.): XIV. Bányászati, Kohászati és Földtani Konferencia. 14th Mining, Metallurgy and Geology Conference. Arad március 29. április 01. [7] Debreczeni, Ákos Csuhanics Balázs: Determination of Jointed Rock Mass Strength using ME method. In: 6th International Conference & Exhibition on Mass Mining Sudbury, Ontario, Kanada június [8] Csuhanics, Balázs Debreczeni, Ákos: Study of Factors Influencing Slope Raveling and Also In Situ Rock Mass Strength. In: 11th Symposium of Continuous Surface Mining konferencia kiadvány, június 25 27, Miskolc. [9] Csuhanics Balázs: Kőzetmasszívumok szilárdsági paramétereinek meghatározására kifejlesztett módszerek. ( Different methods of estimating the strength of rock masses ) In: Bányászati és Kohászati Lapok Bányászat. Vol. 145, 2012/2. [10] Debreczeni, Ákos: Some Remarks ont he Failure Curves of Rock Geosciences and Engineering. In: A Publication of the University of Miskolc. Vol. 1, No. 1. (2012) [11] Csuhanics, Balázs Debreczeni, Ákos: Introduction of New Measuring Device For The Rock Mechanics Laboratory And The First Measurement Experiences Geosciences and Engineering. In: A Publication of the University of Miskolc. Vol. 1, No. 1. (2012) [12] Csuhanics, Balázs Debreczeni, Ákos: The Connection Between Rock Wall Raveling and In Situ Rock Mass Strength A Study On The Influencing Factors. In: Geosciences and Engineering: A Publication of the University of Miskolc 1: (2) pp (2012) [13] Csuhanics Balázs Debreczeni Ákos: Rideg és szívós kőzetanyagon végzett többlépcsős triaxiális mérések ( Multi-stage triaxial tests on brittle and tough rocks ). In: Wanek Ferenc Gagyi Pálffy András Varga Béla (szerk.): XV. Bányászati, Kohászati és Földtani Konferencia. 15th Mining, Metallurgy and Geology Conference. Beszterce, Románia, április Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, pp [14] Csuhanics, Balázs Debreczeni, Ákos: Multi-stage triaxial tests on brittle and tough rocks. In: Geosciences and Engineering: A Publication of the University of Miskolc 1: (3) (Megjelenés alatt.)

8

9