УДК 622.692.24.:622.833.52

студент гр. ИЗОС-В-07

студент гр. ТСБ-Б-11

Научные руководители:

проф. кафедры геологии, д. т.н.

доц. кафедры СПСиШ, к. т.н.

Московский государственный горный университет

ОБОСНОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕСШАТНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ В ОТЛОЖЕНИЯХ КАМЕННОЙ СОЛИ

THE STUDY OF ENVIRONMENTALLY SAFE EXPLOITATION PARAMETERS OF SHAFTLESS UNDERGROUND STORAGE IN AN ARRAY OF ROCK SALT

В практике подземного хранения наибольшее распространение получили бесшахтные подземные хранилища (ПХ) в отложениях каменной соли. Они используются для различных целей, в том числе для размещения стратегических запасов сырой нефти и светлых нефтепродуктов, в качестве товарно-сырьевых баз для нефтехимического и химического производства, для создания пиковых и аварийных хранилищ природного газа. В подземных резервуарах в каменной соли может храниться практически все разнообразие продуктов углеводородных соединений – природный газ, нефть, этилен, пропилен и др., а также гелий, азот и другие газы, возможно использование для захоронения или депонирования промышленных отходов. Перспективно использовать подземные резервуары в каменной соли в качестве технологических аппаратов для подготовки нефти (отстой пластовых вод и сепарация нефтяного газа) и газа (сепарация газового конденсата). Извлекаемый при сооружении подземного резервуара концентрированный раствор хлорида натрия является ценным химическим сырьем, практически готовым к утилизации.[1] В США и России некоторые выработки использовались для подземного испытания боеприпасов и ядерного оружия. В данной работе рассматривалось состояние подземного хранилища природного газа.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Бесшахтные подземные резервуары соору­жаются методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины. ПХ включает в себя выработку-емкость, где непосредственно располагается сырье для хранения и образующийся рассол, и эксплу­атационную скважину, обеспечивающую закачку и выдачу продукта, а также транспортировку рассола в недра либо в рассолохранилища по прилегающим трубопроводам. Выработка-емкость имеет, как правило, осесимметричную форму и сводчатую кровлю, причем осью симметрии является скважина. Пролет выработки доходит до 80 м, высота до нескольких сотен метров, а вме­стимость составляет от десятков тысяч до миллиона кубометров.

Подземные хранилища сооружаются в соляных залежах всех морфологических типов и различного возраста: от кембрия до неогена. С точки зрения технологии строительства большое значение имеют состав соленосных отложений, глубина их залегания и температура пород. Содержание нерастворимых включений в каменной соли, принятое по данным мирового опыта, не должно превышать 35%. Все существующие в мире подземные резервуары расположены в соляных толщах, залегающих, как правило, в диапазоне глубин м. Для водообеспечения, как правило, используются слабоминерализованные промышленные стоки, или осуществляется водозабор из поверхностных водоемов и водотоков. В ряде случаев используется водозабор из подземных вод, в том числе минерализованных.[1]

Механические и реологические свойства каменной соли определяют устойчивость и производительность соляных слоев для их использования в качестве газохранилищ. Деформация соли может быть пластической или хрупкой в зависимости от температуры, состояния напряженности и скорости деформации. Поведение соли является упругопластическим при кратковременном испытании на сжатие и упруго-хрупким при испытании на разрыв, при долгосрочном нагружении соль ползет даже под воздействием небольших девиаторных напряжений.[2] Но ее вязкопластическая деформация, способность самозалечивать появляющиеся трещины, и чрезвычайно низкая проницаемость являются идеальными условиями для использования соляных массивов в качестве хранилища для углеводородного сырья. Устойчивость подземных резервуаров, предназначенных для хранения природного газа, и их герметичность в процессе эксплуатации во многом определяются механическим состоянием соляного массива в их приконтурной зоне. Этапы закачки и отбора газа сопровождаются изменением давления газа на контур выработки-ёмкости, что, в свою очередь, вызывает изменение напряжённо-деформированного состояния каменной соли в её окрестности.

Возможны следующие дефекты при эксплуатации камеры:

–  потеря устойчивости ввиду недопустимой концентрации напряжений вблизи контура камеры с растрескиванием, дроблением и возможными вывалами и обрушениями каменной соли в процессе снижения давления в камере до минимума. Это может повлечь выход трещин в проницаемые покрывающие соль породы с потерей герметичности и последующие недопустимые утечки закачиваемого газа, нарушение кровли камеры и повреждения обсадной и подвесных колонн, приводящие к их замене или ремонту. При этом в дальнейшем сохраняется опасность разгерметизации камеры.

–  уменьшение объема и вместимости камеры вследствие постепенного «заплывания» конвергенции (пластического течения соли внутрь) во времени. При деформациях слоев соли вблизи контура камеры высокие напряжения постепенно перераспределяются и воспринимаются более прочными (не потерявшими прочности от предела текучести) слоями соли на удалении от камеры, что приводит к снижению общей скорости деформаций и заплывания камеры.

–  переток - фильтрация хранимого газа, когда его давление в камере превысит минимальное геостатическое напряжение во вмещающей толще соли. При образовании более глубоких трещин возможны гидроразрывы соли с попаданием газа в проницаемые горизонты. [2]

При разгерметизации резервуара хранящийся в нем газ по возникшим трещинам может проникнуть не только в водоносный горизонт. Возможен его полный выход на поверхность, в месте крайне удаленном от ПХГ, что несет в себе негативное воздействие на состояние окружающей среды и угрозу жизнедеятельности людей. Также потеря устойчивости подземного резервуара приводит к отрицательному экономическому эффекту, так как вернуть утерянный продукт обратно в хранилище не представляется возможным.

Следует отметить, что успешность, безаварийность и экономичность эксплуатации камер ПХГ в каменной соли во многом определяется уже на стадии проектирования, включая разведочные работы и технологию строительства скважины и камеры. Поэтому эти вопросы не следует рассматривать изолированно от режимов эксплуатации камер ПХГ, поскольку это, по сути, единый комплекс, и большинство проблем, возникающих в процессе эксплуатации камер ПХГ, являются следствием недоработок, ошибок и упущений на стадиях проектирования и строительства.

В связи с вышеуказанной проблемой возникает необходимость решения следующей задачи: разработка научно-обоснованных параметров эксплуатации подземных резервуаров с учетом геомеханических процессов в породном массиве. Для решения этой задачи были проведены экспериментальные исследования по определению влияния скорости нагружения на прочностные и реологические свойства каменной соли в лабораторных условиях, объективно отражающих поведение соляного массива при откачке и закачке хранимого газа на ПХГ.

Новизна разработки заключается в том, что впервые предлагается осуществлять выбор режимов и параметров эксплуатации подземных резервуаров в каменной соли с учетом геомеханических процессов, происходящих в породном массиве, вмещающем выработки-емкости различных геометрических размеров.

Экспериментальные исследования проводились на образцах каменной соли из керна одной скважины в лабораторных условиях с различными скоростями нагружения и сочетаниями нагрузок в пределах от 0,5 МПа/сут до 5·103 МПа/сут для последующего сопоставления и определения влияния на прочностные и реологические свойства каменной соли. Подбирались образцы одной литологической разновидности для возможности последующего корректного сопоставления испытаний различных условий. Контрольное испытание шести образцов на одноосное сжатие показало среднее значение σсж = 21 МПа при разбросе значений не более 7%. Минимальные значения нагрузок выбраны по реальным темпам отбора газа из ПХГ в каменной соли, а максимальные – согласно регламентированным Росстандартом методам испытания на прочность и деформируемость горных пород.

Исследования по нагружению образцов проводились на двух установках: испытательной машине EU-100, работающей совместно с камерой трёхосного сжатия БВ-21 при скорости нагружения от 24·103 МПа/сут до 40 МПа/сут, и реологической установке трёхосного сжатия БУ-61 при скорости нагружения от 40 МПа/сут и ниже. Использование двух типов испытательных машин обеспечивает возможность проведения экспериментов в большом диапазоне скоростей нагружения.

Образец каменной соли представляет собой сплошной цилиндр высотой от 80 до 100 мм и диаметром 40-50 мм. Образцы вытачиваются из керна каменной соли на токарном станке с последующей дошлифовкой торцевой поверхности.

При нагружении образцов на установках использовалась «классическая» схема Кармана, позволяющая создать в процессе испытания осевые и боковые нагрузки.

В процессе экспериментов производились непрерывные измерения во времени главных напряжений σ1 , σ2 , σ3 и главных деформаций ε1, ε2, ε3. Отбор газа из ПХГ сопровождается уменьшением одного из главных напряжений, что приводит к росту девиаторной составляющей (σ1 - σ3), которая в свою очередь определяет напряженное состояние приконтурной зоны выработки в соляном массиве.

Измерение напряжений и деформаций позволяет определить наиболее характерные реологические свойства, такие как предел длительной прочности σ∞ (по изменению объемной деформации в сторону уплотнения или разрыхления образца) и предельную допустимую деформацию ε∞ (деформацию на пределе прочности), а так же оценить скорость ползучести.

 

Рис. 1. Нагружение образца по схеме Кармана.

Точка максимального значения величины объемной деформации соответствует критическому значению (σ1 - σ3), после которого испытуемый материал подвергается трещинообразованию. На рис. 2 представлен график, отражающий зависимость критического значения (σ1 - σ3) от изменения объемной деформации в экспериментах.

Рис. 2. График определения критического значения (σ1 – σ3) по максимальному значению объемной деформации в области уплотнения

Рис. 3. Схема проведения эксперимента с предварительным гидростатическим нагружением образца, последующим увеличением осевой нагрузки σ1 и снижением боковой нагрузки(σ2 = σ3)

Схема нагружения (см. рис. 3) заключается в первоначальном гидростатическом обжатии образца σ1 = σ2 = σ3. Величина гидростатического давления рассчитывается по формуле:

(1)

где: r - плотность вышележащих пород, т/м

H - глубина заложения потолочины резервуара, м.

Последующее увеличение осевой нагрузки σ1 и уменьшение боковой (σ2 = σ3) производится с учетом постоянства значения среднего напряжения σср = (σ1 + σ2 + σ3)/3. Данное условие необходимо ввиду достаточного большого влияния среднего напряжения σср на прочность материалов. В данных экспериментах используются два значения среднего напряжения σср 16 МПа и 26 МПа, что соответствуют глубинам заложения потолочины резервуаров 650-750 и м.

В процессе эксперимента производилось измерение объемной деформации εv. Она рассчитывается как сумма главных деформаций εv = ε1+ ε2+ ε3. Увеличение напряжения сопровождается уплотнением образца до определенной величины εv. После максимального уплотнения образца происходит появление дефектов в образце, о чем свидетельствует разуплотнение.

В первой серии опытов испытывалась группа образцов в количестве семи штук для заданного значения σср = 16 МПа (глубина потолочины соответствует 650-750 м). Эксперименты продолжительностью более 1 суток или со скоростью нагружения более 30 МПа/сут проводились на установках БУ-61. При продолжительности испытания менее суток на испытательной машине EU-100 и камере трехосного сжатия БВ-21.

В табл. 1 представлены результаты определения напряжений (σ1 - σ3) соответствующих максимальному уплотнению образца при различных скоростях нагружения и постоянного значения σср = 16 МПа (глубина потолочины соответствует 650-750 м).

Во второй серии опытов испытывалась группа образцов (10 штук) для заданного значения σср = 26 МПа (глубина потолочины соответствует м), результаты отражены в табл. 2.

Таблица 1

Результаты определения напряжений (σ1 - σ3) соответствующих максимальному уплотнению образца при различных скоростях нагружения и постоянного значения σср = 16 МПа.

№

Образец №

Испытательная установка

Скорость нагружения, МПа/сут

Напряжение

(σ1 - σ3), МПа

1

5/1

БУ-61

0,78

15,3

2

6/3

1,2

15,3

3

11/3а

1,5

15,5

4

7/2в

5,7

15,4

5

6/1

EU-100

120

14

6

4/3а

221

13,4

7

4/4а

2707

12,9

Таблица 2

Результаты определения напряжений (σ1 - σ3) соответствующих максимальному уплотнению образца при различных скоростях нагружения и постоянного значения σср = 26 МПа

№

Образец №

Испытательная установка

Скорость нагружения, МПа/сут

Напряжение

(σ1 - σ3), МПа

1

26/1

БУ-61

0,921

18,2

2

4/3б

1,206

17,8

3

2/3

4,7

18,1

4

3/1а

20,5

18,3

5

5/2

EU-100

40

17,9

6

5/3

97,7

16,5

7

8/2

200

14,9

8

8/4

330

14,8

9

2/4

3645

15,5

10

11/1

5378

15,2

Результаты определения значения критических напряжений от скорости нагружения представлены на рис. 4. Здесь представлены испытания всех 17 образцов при двух значениях среднего напряжения 16 МПа и 26 МПа. Диапазон скоростей нагружения составил 0,7 – 5378 МПа/сутки. Для удобства ось абсцисс «скорость нагружения, МПа/сутки» представлена в логарифмическом виде.

На графике видно, что критические напряжения с увеличением скорости нагружения уменьшаются, как при значении среднего напряжения 16 МПа, так и 26 МПа.

Безымянный

Рис. 4. Зависимость величин критического напряжения в зависимости от скорости нагружения при двух постоянных значениях среднего напряжения 16 МПа и 26 МПа.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что быстрое нагружение не способствует равномерному перераспределению напряжений и деформаций в образцах каменной соли. Этот эффект приводит к появлению внутренних дефектов при меньших напряжениях, по сравнению с медленным нагружением. Следует отметить максимально допустимые скорости нагружения, при которых испытуемая каменная соль находится лучшем состоянии по прочностным параметрам.

Для значения σср = 16 МПа (глубина потолочины соответствует 650-750 м) эта величина составляет до 5 МПа/сутки, а для значения σср = 26 МПа (глубина потолочины соответствует м) эта величина составляет до 20 МПа/сутки. Разница заключается в том, что при большей глубине заложения выработки каменная соль становиться более пластичной, что способствует лучшему перераспределению напряжений и деформаций.

Литература.

1.  Смирнов подземных газонефтехранилищ: Учебное пособие для вузов. – М.: Газоил пресс, 2000. – 250 с.: ил.

2.  D. J. EVANS. An appraisal of Underground Gas Storage technologies and incidents, for the development of risk assessment methodology. British Geological Survey Open Report, OR/07/0pp. 2007.

3. ПБ. Правила обустройства и безопасной эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли.

Аннотация.

В работе представлены результаты экспериментальных исследований по определению влияния скорости нагружения на прочностные и реологические свойства каменной соли. Направлением работы является обоснование экологически безопасных параметров эксплуатации подземных хранилищ углеводородных продуктов в массиве каменной соли.

The results of experimental studies to determine the effect of loading rate on the strength and rheological properties of rock salt. This work is the study of environmentally friendly exploitation parameters of underground storage of hydrocarbon products in an array of rock salt.

Ключевые слова.

каменная соль, эксплуатация бесшахтных подземных хранилищ, устойчивость подземных резервуаров

rock salt, exploitation of underground storage, stability of underground storage