научная статья по теме ХРАНИЛИЩА В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ХРАНИЛИЩА В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ»

ХРАНИПИША В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

п

На северо-востоке России в регионах газопромыслов, обеспечивающих природным газом Норильский ГМК и Якутский промышленный узел

Республики Саха, накоплен уникальный, более чем 20-летний опыт сооружения и эксплуатации бесшахтных (размытых водой через скважины) подземных резервуаров. Сооружаются они в мощных толщах вечномерзлых песков для хранения газового конденсата, товарных нефтепродуктов и воды для технических нужд.

Кандидат технических наук Л. К. СИЛЬВЕСТРОВ (ООО "Подземгазпром")

очти половина территорий России, Канады и Аляски находится в области вечной мерзлоты. Обширные равнинные пространства этих территорий покрыты отложениями насыщенных и сцементированных льдом дисперсных горных пород мощностью более 100 м. Под воздействием воды эти породы подвергаются интенсивному термокарсту - как искусственному, так и естественному.

Следуя формальной аналогии с размывом водой каверн в каменной соли, институт ВНИИПромгаз в 1970-х гг. провел цикл расчетно-теоретических, лабораторных, опытных и опытно-промышленных работ, в том числе отработку процесса на ста физических моделях, позволивших разработать технологию строительства в вечной мерзлоте бесшахтных резервуаров, их эксплуатации, а также подготовить нормативно-техническую базу их проектирования (СНиП и ВСН - Ведомственные строительные нормы).

Сооруженные к настоящему времени опытные, опытно-промышленные и промышленные подземные резервуары используются для хранения дизельного топлива, стабильного газового конденсата, продувки участка газопровода, сбора водометанольного раствора и, как промежуточный, временный этап, - для хранения воды.

Площадка для строительства хранилища должна удовлетворять ряду тре-

бований, важнейшими из которых являются газонепроницаемость вмещающих мерзлых горных пород вокруг рабочего объема скважины и минимальное содержание (а лучше - полное отсутствие) в них так называемых "негабаритов", проще говоря - камней, окаменелой древесины, раковин моллюсков размером более 10 см.

По условиям технологии, естественная температура вечномерзлых песков рабочей толщи должна быть не выше -2°С, мощность слоя покрывающих пород над нижним торцом башмака зацементированной обсадной колонны скважины должна быть не менее высоты сооружаемой полости. На поверхности земли на расстоянии порядка 100 м должен быть источник воды, а строительная площадка должна иметь уклон к нему для естественного стока использованной для g разработки полости воды. ^

Разумеется, желательны подъездная I дорога, стационарная электросеть и ис- I точник газа с давлением порядка 10 МПа $ при расходе газа примерно 5 тыс. нм3/сут., | а также возможность утилизации газа ^ низкого давления. |

0

1

о

Конструкция резервуара £

Ф

Бесшахтный резервуар состоит из Ф подземной полости, строительно-технологической скважины, устьевого обору-

© Л. К. Сильвестров

23

Схематический рисунок бесшахтного резервуара в вечномерзлотных породах:

1 - подземный резервуар,

2 - пульповод в скважине,

3 - водовод в скважине,

4 - компрессор, 5 - воздуховод,

6 - линия продувки,

7 - наземный пульповод,

8 - наземный водовод,

9 - холодильный агрегат,

10 - охлаждающая рубашка,

11 - насос, 12 - водоем,

13 - отвал породыI,

14 - массив мерзлотны/х пород.

^ дования (оголовка) и подвесных колонн § с забойным оборудованием. £ Форма подземной полости - это ком-| промисс между обеспечением более § долгого сохранения прочности при мак-| симальной вместимости, диктуемой тре-* бованиями экономичности, и возможно-^ стями технологии сооружения. § Для обеспечения прочности необхо-| дима квазишарообразная форма, кото-1 рую, как правило, трансформируют в | вытянутый по вертикали эллипсоид со " сводчатой кровлей максимальным пролетом размером до 40 м и отношением высоты к диаметру не более трех.

В итоге максимальный объем единичного бесшахтного резервуара в оптимальных условиях едва ли превысит 150 тыс. м3 (для сравнения - в каменной соли более 2 млн. м3). Объем же полостей уже сооруженных резервуаров пока не превышает 5 тыс. м3, что отражает несовершенство технологии их сооружения. Между тем, опыт показывает, что увеличение объема резервуара подобного типа снижает затраты, определяющие экономическую эффективность и конкурентоспособность примерно вдвое.

Как правило, полость бесшахтного резервуара, сооруженного в вечномерз-лых песках, представляет собой осесим-метричную камеру с вертикальной осью, коническим дном и сводчатой кровлей (рисунок).

Обычный диаметр скважины в проходке 0.6 м выбирается под обсадную колонну (охлаждающую "рубашку" скважины), состоящую из соосных труб диаметрами 530 х 12 мм и 426 х 10 мм с за-глушенными торцами. Затрубье колонны цементируют по обычной технологии закачкой раствора по самой колонне до выхода его по затрубному пространству до устья.

Десятилетний опыт эксплуатации полости максимальным пролетом 18 м на

глубине 25 м при естественной температуре вмещающих вечномерзлых песков -3°С и поддержании в них атмосферного давления показал практическое отсутствие изменений формы и объема.

При пролетах полости 30-40 м с увеличением глубины, глинистости вмещающих горных пород и повышением их естественной температуры потери объема полости за счет деформаций ползучести (конвергенции, "заплывания") могут стать значительными (1% в год).

Технология строительства

В скважину, подготовленную и испытанную на пригодность для сооружения бесшахтного резервуара, спускают до забоя скважины соосные подвесные колонны труб, обычно диаметрами 325 х 10 и 219 х 8 мм.

Рядом с колонной устанавливают мобильную холодильную машину, воздушный компрессор (при отсутствии газа высокого давления), подъемный механизм (можно буровой станок) для перемещения подвесных рабочих колонн в процессе разработки полости, трубопроводы подачи воды от насоса, установленного на берегу водоема, и отвода выдаваемой водогрунтовой смеси на гидроотвал.

После предварительного захолажи-вания обсадной колонны в скважину подают сжатый газ (воздух), затем воду, после чего ведут предпочтительно непрерывную круглосуточную разработку полости до заданного объема.

При соприкосновении воды температурой от 7 до 15°С с мерзлым песком на стенках скважины в условиях комбинированной (вынужденной и естественной) конвекции лед-цемент в порах песка интенсивно тает, потерявшие межу собой связь частицы песка или другой дисперсной горной породы под действием силы тяжести опускаются на забой скважины, постепенно расширяемой в выработку-емкость радиусом до 20 м. С забоя скважины эти частицы захватываются восходящим обратным потоком воды, нагнетаемой в скважину по межтрубью подвесных колонн, и по центральной

подвесной колонне труб выдаются на поверхность в виде водогрунтовой смеси (пульпы). Пульпа отводится по трубам, шлангам или открытым лоткам на гидроотвал, на котором песок осаждается в виде пологого конуса.

Разработка и управление формированием полости осуществляются скоординированной работой систем закачки воды и отвода пульпы, циркуляцией холодо-носителя между холодильной машиной и межтрубьем обсадной колонны и рядом других процедур.

Постоянным поддержанием газовой "подушки" в скважине и под сводом предотвращается оттаивание мерзлого песка на сводовой части полости. При расходе воды примерно 300 м3/ч скорость разработки полости составляет около 10 м3/ч, что позволяет соорудить полость объемом 5 тыс. м3 примерно за 1.5 месяца.

По окончании разработки стенки полости можно покрыть защитным, выравнивающим и укрепляющим слоем льда, дозаполнив полость водой и выдержав ее в течение примерно 15 суток. Впрочем, для хранения нетоварных продуктов (газового конденсата, технической воды, водометанольного раствора) это необязательно. При видимой простоте эта технология содержит элементы "ноу-хау", не приводимые здесь.

Эксплуатация

Перед вводом в строй сооруженной полости ее вместе со скважиной и оголовком вторично тщательно испытывают на плотность и прочность. Если испы- з тание не дало положительного результа- ^ та, полость или скважину ремонтируют и | испытывают вновь. При невозможности § обеспечить герметичность скважину бра- " куют и ликвидируют. |

Специфика бесшахтных резервуаров ®

налагает на режимы эксплуатации неко- | торые ограничения. В таких хранилищах |

недопустимы формированные закачки §

больших объемов жидкости с положи- |

тельной температурой (воды, нефтепро- § дуктов); нельзя заполнять выше конуса " дна агрессивной для льда в физико-химическом отношении жидкостью, напри-

Перспективные области применения бесшахтных резервуаров в мерзлых породах

Назначение

Состояние освоения

При атмосферном или близком к нему давлении

Хранение жидких углеводородов (моторные топлива, стабильный газовый конденсат) с преобразованием его в газо-конденсатное топливо

Хранение неуглеводородных жидкостей (техническая вода, водометанольный и бУровой растворы)

Хранение питьевой воды

Захоронение отходов бурения и освоения нефтяных и газовых скважин и других промышленных отходов

Захоронение бытовых отходов, ядохимикатов

Захоронение радиоактивных отходов средней и низкой активности

Создание анодных заземлителей систем электрохимзащиты магистральных газопроводов и стальных сооружений

Освоено

в промышленных условиях

Проведены лабораторные и опытные испытания и работы

Проведены лабораторные исследования. Ведутся исследования в натурных условиях

Не освоено. Проведены первые лабораторные исследования

Не освоено

Не освоено

Проведены лабораторные исследования. Подготовлен опыт в натурных условиях

При значительном избыточном давлении (до 5.0 МПа)

Хранение сжиженного пропан-бутана и получение его из нестабильного газового конденсата

Хранение сжатого (1) и сжиженного (2) природного газа

Продувка участков магистральных газопроводов, сбор, хранение и утилизация продуктов продувки

Хранение широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) для аварийного резерва и покрытия пиковых нагрузок газопотребления

Не освоено

Не освоено (1) Проведены исследовательские работы (2)

Построен первый

опытно-промышленный

резервуар

Разработаны предло

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»