Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли"

На правах рукописи

УДК 622.273:26

Обоснование и разработка технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли

Специальность 25 00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и ООО «Научно-исследовательское и проектное предприятие по сооружению и эксплуатации подземных хранилищ «Подземгазпром»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор СМИРНОВ Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: '

доктор технических наук, профессор АРЕНС Виктор Жанович кандидат технических наук, доцент МАЛЮКОВ Валерий Павлович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие

ФГУП «гигхс»

Защита диссертации состоится декабря 2005 г в /И~ час. на заседании диссертационного совета Д-212 128 05 при Московском государственном горном университете по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

КРЮКОВ Г М

Ж) 6-у

11А6Ш

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Подземные ядерные взрывы в нашей стране начали производить около тридцати пяти лет назад и продолжали осуществлять в последующие два десятилетия За этот период на территории России было произведено 19 взрывов для опытно-промышленной отработки технологии создания подземных сооружений в отложениях каменной соли для хранения углеводородной продукции Они были осуществлены на газоконденсатных месторождениях: Астраханском - 15 (Астраханская область), Оренбургском - 2 и Совхозном -1 (Оренбургская область), а также на объекте «Тавда» - 1 (Тюменская область), в отложениях каменных солей в интервалах глубин от 160 до 1500 м. В настоящее время большинство сооружений заполнены радиоактивным рассолом и непригодны для промышленной эксплуатации. На устьях скважин фиксируется рост давления и выход рассола на поверхность земли, что, по мнению большинства исследователей, связано с конвергенцией, обрушением стенок и потолочины сооружений во времени.

В большинстве случаев необходимой изоляции сооружений, образованных в результате взрывов и заполнившихся в дальнейшем рассолом, не получилось. Наблюдения за поведением сооружений проводятся местными нефтяными, газовыми и угольными предприятиями по рабочим проектам, составленным ВНИПИпромтехнологии при согласовании и контроле органов Госатомнадзора России, Госгортехнадзора, Государственными комитетами по охране окружающей среды, Центрами Госсанэпиднадзора, а также Государственной экспертизой проектов МЧС России.

В пределах Астраханской области такие наблюдения проводились силами ООО «Астраханьгазпром», а с 1999 года - силами ООО «Подземгазпром»

В связи с тем что основная опасность загрязнения недр и поверхности происходит за счет поступления рассола по возникшим трещинам и негерметичностям затрубного пространства колонн эксплуатационных скважин, возникла проблема консервации и ликвидации сооружений, заполненных рассолом, и связанных с ними заколонных перетоков.

Как показал анализ проводимых в нашей стране работ по ликвидации водопритоков в эксплуатационных скважинах, межколонных скважинных перетоков флюидов, работ по увеличению нефте- и газоотдачи пластов, ни в одной публикации нет упоминаний о возможности консервации и ликвидации сооружений больших объемов, созданных в каменной соли и заполненных рассолом

На основании проведенного анализа патентного и литературного поиска можно выделить перспективные для этих целей направления'

- использование магнезиальных шламов для связывания рассолов в твердое состояние;

- использование нефелинового концентрата, обработанного серной кислотой для перевода рассолов в гелеобразное состояние

Для оценки возможности перевода больших объемов радиоактивных рассолов в неподвижное состояние возникла необходимость исследований, связанных с разработкой технологии отверждения рассолов в подземных сооружениях, и изучения свойств отверждаемных растворов на основе магнезиальных шламов и нефелинового концентрата, которые обладают необходимой конечной прочностью, нужной вязкостью и долговечностью.

Таким образом, обоснование и разработка технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли являются актуальной научной задачей

Цель работы - обоснование и разработка технологических параметров подготовки и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения надежной консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли.

Идея работы заключается в направленном регулировании соотношения компонентов, времени приготовления закладочных составов и способа их подачи в выработанное пространство для перевода находящегося в нем рассола в вязко-упругое или твердое состояние непосредственно в подземном сооружении

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:

1. Впервые установлены закономерности перевода радиоактивного рассола в вязко-упругий закладочный материал (вязкость 2200-3500 мПа-с, плотность 1,35 г/см3) в зависимости от соотношения компонентов в подаваемом составе на основе нефелинового концентрата, применение которого снижает затраты времени и средств для обеспечения заданной устойчивости подземного сооружения.

2. Установлены закономерности изменения динамической вязкости закладочного материала от соотношения компонентов в подаваемом составе, от времени (30-40 мин) и скорости (30-100 об/мин) их перемешивания при подготовке и скорости подачи состава в выработанное пространство подземного сооружения.

3 Впервые установлено, что применение магнезиального шлама с добавками 5-10% порошка магнезитового каустического позволяет в течение 5-6 суток перевести рассол в выработанном пространстве подземного сооружения в закладочный материал с оптимальными прочностными характеристиками (прочность при сжатии 1,0-1,5 МПа).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются представительным объемом экспериментальных данных (около 300 опытов), использованных в качестве основы для выявления зависимости прочностных характеристик закладочного материала от способа его приготовления и подачи; удовлетворительным совпадением прогнозируемых результатов определения физических свойств отвержденных масс с данными, полученными при использовании различных связывающих рассол компонентов (в том числе при повышенных давлении и температуре) (расхождение не превышает 10-15%), положительными результатами внедрения научных разработок в производство.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости прочностных свойств закладочных материалов от технологических параметров их приготовления и подачи в ликвидируемое подземное сооружение.

Практическое значение работы заключается в модернизации способа закладки выработанного пространства подземных сооружений в каменной соли для условий объекта «Вега» Астраханского ГКМ

Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена в проектах ликвидации подземных емкостей 2Т, 4Т, 5Т 6Т и 12Т объекта «Вега» (Астраханская область)

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка - 2002-2005», Ученом Совете ООО «Подземгазпром», заседании кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста,

содержит 27 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 117 наименований, 7 приложений.

Основное содержание работы

В 1980-1084 гт на Астраханском газоконденсатном месторождении методом подземных ядерных взрывов в отложениях каменной соли кунгурского яруса верхней перми создано 15 подземных емкостей объекта «Вега», из которых 13 предназначались для хранения газового конденсата и две - для продувки газовых скважин

Проблемам, связанным с поведением подземных емкостей на Астраханском ГКМ, посвящены работы Турина Д Н , Коснова Е К, Овчинникова В.М , Смирнова В И, Федорова Б Н , Хлопцова В Г., Шафаренко Е М.

Несколько лет после проведения взрывов образовавшиеся емкости оставались незаполненными Только в 1991 г семь емкостей заполнены газовым конденсатом Остальные оказались заполненными рассолом, давления на устьях скважин этих емкостей находятся в пределах от 4,9 до 9,0 МПа Источник появления рассолов в полостях до сих пор не выяснен Последующими наблюдениями в некоторых емкостях было зафиксировано большое сокращение высот свободных интервалов, неизменность отметки поверхности расплава на дне емкости, разуплотнение окружающих пород над поверхностью расплава, постепенное заполнение емкостей рассолом с последующим подъемом его по скважинам до поверхности земли К настоящему времени емкости оказались частично или полностью заполнены массой раздробленной обвалившейся со сводов соли, в пустотах которой находится рассол

Объем парка подземных резервуаров, по данным замеров 1986 и 1988 гг, сократился на 70% и продолжает сокращаться

Современное состояние сооружений, нахождение в них масс загрязненного рассола, представляющего собой жидкие радиоактивные отходы, старение конструктивных элементов технологических скважин, включая оголовки, повышение давления рассола за счет конвергенции подземных сооружений - все эти факторы повышают риск вытеснения радиоактивного рассола на поверхность земли и в подземные водоносные горизонты Таким образом в настоящее время возникла острая необходимость в скорейшей ликвидации источников радиационной опасности

В 1996 г ВНИПИлромтехнологии разработан проект отверждения рассолов с применением портландцемента марки ПЦТ-50, подаваемого с дизельным топливом При этой технологии подачи отверждающего материала необходимо предусмотреть выдачу

на поверхность и захоронение примерно 40% объема радиоактивного рассола, находящегося в емкости

В мировой практике отсутствуют разработки по захоронению больших объемов жидких радиоактивных отходов в подземных сооружениях, созданных в каменной соли, с переводом их в твердое или гелеобразное состояние

Проведенный анализ опубликованных работ, посвященных вопросам получения и применения гидроизолирующих составов, выявил новизну и практическую значимость применения таких перспективных материалов, как нефелин и другие алюмосиликатные композиции, а также магнезиальных шламов для ликвидации емкостей, заполненных радиоактивным рассолом

Анализ имеющихся материалов по .захоронению радиоактивных отходов показал, что помимо предложенного варианта использования тампонажного цемента для ликвидации сооружений, созданных в отложениях каменных солей и заполненных рассолом, можно выделить следующие перспективные направления- использование нефелинового концентрата для отверждения рассолов с переводом его в гелеобразное состояние,

использование магнезиальных шламов для перевода рассолов в твердое состояние.

При этом необходимо соблюдать следующие условия:

1. Придание рассолу неподвижного состояния (твердого или гелеобразного), препятствующего его проникновению в вышележащие водоносные горизонты и на поверхность земли

2. Извлечение на поверхность земли наименьшего количества избыточного радиоактивного рассола из ликвидируемого сооружения.

3 При ликвидации больших объемов рассола, находящегося в подземном сооружении, применяемые реагенты должны быть доступны по стоимости, а технология ликвидационных работ должна соответствовать достигнутому уровню науки и техники. Результаты анализа современного состояния проблемы консервации и ликвидации подземных сооружений, заполненных рассолом, определили цель диссертационной работы - установление влияния технологических параметров приготовления и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения долговременной устойчивости подземного сооружения.

Технологическими параметрами в данном случае являются факторы и величины процесса, который определяет качество полного отверждения или связывания рассола в

емкости, такие, как технология приготовления смесей (подбор оптимальных составов, время перемешивания), их начальная вязкость, сроки загустевания, способы транспортировки и время отверждения материалов

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

• доказать принципиальную возможность отверждения больших объемов рассолов в емкости при применении предлагаемых материалов,

• определить оптимальные количества материалов для отверждения больших объемов рассолов в сооружении при применении нефелинового концентрата, обработанного серной кислотой, и шлама карналлитовых хлораторов, отхода магниевого производства Соликамского завода,

• исследовать основные физико-механические характеристики свойств отверждающих составов, подаваемых в подземное сооружение, и образовавшихся отвержденных масс, в том числе и при термобарических условиях подземного сооружения;

• обеспечить герметичность затрубного пространства после применения отвергающих материалов;

• разработать технологические параметры подачи отверждающих материалов на рассоле и на дизельном топливе;

• провести технико-экономическое сравнение предлагаемых технологий отвержения рассолов больших объемов с предлагаемыми решениями по применению портландцементов.

При решении поставленных задач использовались методы экспериментальных и аналитических исследований горной науки- стандартные методы определения физико-механических характеристик отверждающих материалов, моделирование на натурных материалах, обобщение и анализ предшествующего опыта, а также сравнительная технико-экономическая оценка.

Процесс взаимодействия нефелина с минеральными кислотами для переработки нефелинсодержащего сырья с целью получения глинозема и коагулянтов описан в работе Майорова Д.В. При вводе гелеобразующего состава в массу рассола происходит образование плотного устойчивого геля

Гелеобразующий состав на основе нефелина «Невод» был предложен Коноваловым Е.А, Ноздрей В.И. и др. для ликвидации водопритоков в процессе бурения и эксплуатации скважин. Фахретдиновым Р.Н. и др. было установлено, что при использовании аналогичного состава «Нефелин-1» минерализация пластовых вод ускоряет процесс образования более вязких гелей, что связано с участием ионов в

гелеобразовании Отмечена высокая стабильность гелеобразующей композиции в широком интервале временных и температурных параметров

Методический подход заключался в подборе оптимальных отношений компонентов гелеобразующего состава, времени его приготовления, а также установлении таких свойств гелей, как динамическая вязкость и время созревания

Определение динамической вязкости гелеобразной системы осуществлялось по методике С.С Воюцкого путем измерения времени вертикального падения свинцового грузила в форме оливки (весом 8 г) с определенной высоты в изучаемой среде.

Процесс получения гелеобразных студней протекает в две стадии Сначала происходит взаимодействие нефелина с серной кислотой с его частичным растворением, затем этот полупродукт вносится в рассол. В течение достаточно длительного времени (от нескольких часов до десятков суток) происходит процесс гелеобразования с получением плотных и долговечных гелей.

Процесс растворения нефелина сопровождается выделением большого количества теплоты, а процесс гелеобразования - изменением цвета системы с зеленоватого на сине-зеленый

Время созревания определялось путем измерения угла сваливания геля от вертикали путем наклона стеклянной емкости Созревший гель не сваливался при перевороте емкости на 180°

Свежеприготовленная смесь нефелинового концентрата, кислоты и рассола имеет динамическую вязкость 4-6 мПа с и плотность 1,35 г/см3 Через 2-3 суток вязкость образовавшегося геля в зависимости от исходной концентрации компонентов находится в пределах 1500-2800 мПа-с и сохраняется длительное время (таблица 1 и рисунок 1).

Наилучшими по времени застывания (2 суток) и динамической вязкости (2800 мПа с) оказались гели, приготовленные в соотношении рассол ■ нефелиновый концентрат : кислота -100:156,2

Таблица 1 - Возрастание динамической вязкости гелей со временем их созревания

Время от начала реакции рассола с гелеобраэователем.час Динамическая вязкость образцов, мПа с по опытам

вода рассол

15 16 21 29 123 159

1 3 3 3 8 15 25

6 5 4 8 50 80 125

12 6 7 140 210 520 1680

24 8 10 2700 500 2500 2900

48 10 14 2800 1500 2800 3500

72 50 87 2800 1500 2800 3500

96 2200 2500 2800 1500 2800 3500

144 2200 2500 2800 1500 2800 3500

__1--1_|__

О 20 40 во 80 100 120 140 160

Время, час

Рисунок 1 - Возрастание динамической вязкости гелей со временем их созревания

(на воде и рассоле)

Уточненные технические требования к ликвидации подземных сооружений заставили искать принципиально новые пути отверждения рассолов без извлечения или при минимальной выдаче их на поверхность.

Для решения этих задач в качестве носителя гелеобразующего состава было использовано дизельное топливо, которое не сорбирует в своем объеме радионуклиды и всплывает над застывшим гелем, что дает возможность извлекать его на поверхность для повторного использования без нарушения санитарных норм и норм радиационной безопасности.

Наилучшими по времени застывания (3 суток) и динамической вязкости (2500 мПас) оказались гели, приготовленные при соотношении рассол . нефелиновый концентрат: кислота -100:15 7,5 (таблица 2 и рисунок 2)

Динамическая вязкость смеси нефелина с кислотой на дизельном топливе составляет 7,1-7,3 мПа-с, а вязкость образовавшихся гелей достигает 1300-2500 мПа-с.

Таблица 2 - Возрастание динамической вязкости гелей со временем их созревания __(на дизтопливе)_

Время от начала реакции рассола с гелеобразователем, ч инамическая вязкость образцов мПа-с, по опытам |

32 47 51 61 71

1 8 10 10 10 12

6 50 50 40 80 70

12 220 160 170 140 520

24 500 280 210 2400 2500

48 1300 1000 1400 2500 2500

96 1300 2000 2300 2500 2500

144 1300 2100 2300 2500 2500

Время, час

Рисунок 2 - Возрастание динамической вязкости гелей со временем их созревания (на дизтопливе)

В процессе приготовления гелеобразующего состава очень важным оказался такой технологический параметр, как скорость перемешивания перед подачей его в рассол Нами выявлены три области ее значений, малая (менее 30 об/мин), средняя (30 '150 об/мин) и большая (более 150 об/мин)

В интервале скоростей перемешивания 30 150 об/мин отмечено положительное влияние длительности приготовления (30-40 мин) на прочность и однородность получаемых гелей.

Ориентировочное время существования гелеобразной изолированной системы будет равно з 38 лет, а дальше произойдет высаливание из-за естественного старения системы Это означает, что через 38 лет гелеобразная система превратится в солевую, а ее устойчивость будет определяться растворимостью основного вещества в поступающих извне подземных водах

Увеличение температуры в зоне гелеобразования с одной стороны снижает время гелеобразования за счет увеличения скорости химических реакций

Для изучения совместного влияния повышенных температур и давлений на параметры гелеобразования были проведены исследования с использованием гидравлической установки трехосного неравнокомпонентного сжатия УДС 65/80

Срок испытания на установке был принят 3 суток - предельный срок, в течение которого происходит гелеобразование.

Процесс образования геля проводился при повышенных температурах (от 30 до 80°С) и давлениях (от 3 до 20 МПа) Определение динамической вязкости проводилось в

течение 10 суток после созревания, чтобы на поверхности геля не происходил процесс высаливания (таблица 3).

Таблица 3 - Динамическая вязкость гелей, полученных при повышенных давлениях

Р.МПа Т,°С 3,0 8,0 11,0 14,0 17,0 20,0

30 2700 2700 2700 2600 2600 2600

40 2600 2400 2400 2300 2200 2100

50 2000 2000 2100 1900 1900 1900

60 1900 1800 1700 1700 1600 1500

70 1700 1700 1600 1500 1500 1500

80 1600 1600 1500 1500 1400 1400

На основании анализа результатов исследований физических параметров гелей, полученных при различных термобарических условиях, можно сделать вывод, что динамическая вязкость гелей незначительно уменьшается по мере повышения давления и температуры от 2700 мПа-с (Т=30°С, Р=3,0 МПа) до 1400 мПа-с (Т=80°С, Р=20,0 МПа).

По результатам лабораторных определений можно предположить, что в условиях ликвидируемой ПЕ-2Т (Т=50°С, Р=14,0 МПа) гель будет созревать в течение 2-3 суток и иметь следующие параметры: динамическая вязкость гелей 1700-1900 мПа-с при рН системы 2,7-3,1 Полученные параметры гелей позволяют сделать вывод о возможном переводе подземного сооружения в каменной соли в устойчивое безопасное состояние.

Нами выполнены эксперименты по герметизации нарушенного затрубного пространства скважин в каменной соли с применением нефелинового концентрата Для этого был создан стенд, позволяющий проводить технологический процесс герметизации гелем натурного фрагмента разрушенного контакта тампонажного цемента с обсадной трубой (металлом) и каменной солью, представляющий собой стальную трубу с внутренним диаметром 36,5 мм

Опыты, проведенные на стенде с применением установки испытания проницаемости кернов (УИПК-1), показали, что уже через 3 суток после гелеобразования в «залеченном» затрубном пространстве проницаемость по газу снижается в значительной мере или практически отсутствует (рисунок 3).

Таким образом, при помощи нефелинового концентрата обработанного серной кислотой возможно ликвидировать заколонные перетоки флюида по контакту цементного камня с обсадной колонной и каменной солью в эксплуатационных скважинах ПХ, созданных в каменной соли.

3 2 1

О

£

? -1

I

с

* -2 а

-3 -4

Высота образца, см

Рисунок 3 - Зависимость изменения проницаемости системы до и после подачи гелеобразующего состава.

Предложена схема капитального ремонта скважин подземных резервуаров (рисунок 4).

Таким образом, из вышесказанного вытекает 1-е научное положение - впервые установлены закономерности перевода радиоактивного рассола в вязко-упругий закладочный материал (вязкость 2200-3500 мПа-с, плотность 1,35 г/см3) в зависимости от соотношения компонентов в подаваемом составе на основе нефелинового концентрата, применение которого снижает затраты времени и средств для обеспечения заданной устойчивости подземного сооружения

Технология подачи гелеобразующих составов в подземное сооружение с помощью рассола и дизельного топлива отрабатывалась на специальном стенде (рисунок 5).

В результате проведенных опытов установлено, что процесс подачи гелеобразующего состава на рассоле может быть непрерывным и продолжаться до тех пор, пока на поверхность не будет выходить рассол, имеющий плотность 1,35 г/см3 и рН пределах 1,3. Эти величины будут определять, что в емкости созданы условия для получения устойчивого геля, который образуется через 2-3 суток.

С целью уменьшения количества извлекаемого на поверхность рассола было предложено использование в качестве транспорта серной кислоты и нефелина дизельного топлива. В этом случае взаимодействие нефелина с серной кислотой

—•— Металл-цемент до

- • • Соль-цемент до

- -А — Песок до

Моталл-цемент после ■" Соль-цемект после

- - • - -Песок после

I

Т

происходит непосредственно в среде рассола и, как следствие, не требуется длительного перемешивания подаваемого состава.

^ 7

1 Подземная емкость с хранимым продуктом

2 Обсадная колонна с затрубной цементацией

3 Подвесная колонна

4 Фонтанная арматура

5 Пакер

6. Разрушенная часть затрубной цементации

7 Емкость с серной кислотой

8 Склад нефелинового концентрата

9 Комплекс для приготовления нефелиновой смеси

10 - Цементировочный агрегат ЦА-320

Рисунок 4 - Схема капитального ремонта скважин

I

1 - подземная емкость

2 - уплотнительная пробка

3 - трубка, подающая гелеобразующий состав 4-трубка, выдающая на поверность избыток рассола

5 - приемная емкость

6 - кран-отсекатель для дизельного топлива

ь - направление потоков жидкости

Рисунок 5 - Принципиальная схема стенда для подачи гелеобразующего состава

Дизельное топливо, имея меньшую, чем у рассола, плотность (0,85 против 1,20 г/мл), будет отделяться, всплывать и извлекаться для повторного использования При этом часть дизельного топлива будет теряться на окисление серной кислотой, а время гелеобразования - увеличится.

Результаты проведенных нами лабораторных опытов с применением дизельного топлива показали увеличение расхода серной кислоты и нефелина по сравнению с подачей гелеобразующего состава на рассоле, те на превращение в гель 100 мл рассола потребуется 15 г нефелина и 7,5 мл серной кислоты (100'15:7,5). Однако при использовании дизельного топлива в качестве транспорта нефелина и кислоты возникла проблема его подачи, отбора и повторного использования Для подачи состава на дизельном топливе необходимо увеличить скорость прокачки, т.к после попадания в рассол вместе с отверждающим материалом дизельное топливо отделяется и всплывает на поверхность рассола. Дизтопливо, извлеченное на поверхность, представляет собой двухслойную систему: сверху - чистый слой (до 80%) и снизу - загрязненный, в виде муссообразной взвеси. Для повторного использования пригоден только незагрязненный слой дизельного топлива, составляющий порядка 80% первоначального объема. В случае отбора дизельного топлива в большем количестве и использовании его при следующих замесах образовывались нетекучие смеси, что приводило к забивке подающей трубки

Глубина спуска подающей трубки при работе с дизельным топливом должна составлять не менее 2/3 высоты емкости.

Таким образом, в результате изучения процесса подачи гелеобразующих составов в емкость можно сделать следующие выводы:

1. Для связывания 1 м3 рассола требуется 150 кг нефелинового концентрата и 62 л кислоты, подаваемых на рассоле, при этом достигается получение геля вязкостью не

менее 3500 мПас, при подаче на дизельном топливе требуется соответственно 150 кг нефелинового концентрата и 75 л кислоты с получением геля вязкостью 2200-2500 мПа-с.

2 При приготовлении гелеобразующего состава на рассоле скорость перемешивания должна составлять 30-100 об/мин, при этом в рассол сначала вносится кислота, а затем нефелин. Время перемешивания - 30-40 мин При приготовлении состава на дизельном топливе состав перемешивается 15 минут при тех же скоростях. Сначала вносится нефелин, а затем кислота.

3 Подача состава на рассоле в емкость должна производиться при скоростях, соответствующих ламинарному режиму, а на дизельном топливе - турбулентному, что обеспечит наилучшее перемешивание состава с рассолом в емкости и отделение дизтоплива.

4. При подаче гелеобразующего состава происходит его равномерное растекание по дну и распределение по объему емкости снизу вверх

Отсюда вытекает 2-е научное положение - установлены закономерности изменения динамической вязкости закладочного материала от соотношения компонентов в подаваемом составе, от времени (30-40 мин) и скорости (30-100 об/мин) их перемешивания при подготовке и скорости подачи состава в выработанное пространство подземного сооружения.

Проведенные нами исследования показали, что шлам карналлитовых хлораторов способен связывать и отверждать большие объемы рассола при ж/т 2,2-2,4 с образованием камневидного материала. Материал в чистом виде твердеет медленно и камневидное состояние приобретает через 7-10 суток, что играет существенную положительную роль при проведении закачки шламового раствора через скважину в емкость Прочность при сжатии шламового камня в возрасте 7 суток составляет порядка 1,0-1,1 МПа.

Для повышения механической прочности шламового камня, а главное, для ускорения сроков твердения камня и возможности их регулирования рассматривались варианты по введению в шлам добавок в виде порошка магнезитового каустического (ПМК) в размере 5, 10% Достоинствами данного способа связывания рассола являются: отверждение ббльшего объема рассола (по сравнению с портландцементом) при минимальных затратах на приобретение этого материала, регулируемое время отверждения, прочность образующегося шламового камня при включении в шлам добавок в виде ПМК, его долговечность

В результате проведенных исследований установлено, что на ликвидацию сооружения объемом 1000 м3 потребуется до 400 т шлама, а на поверхность будет выдавлено до 80-100 м3 рассола, требующего дальнейшей утилизации.

При применении в качестве транспорта рассола, отобранного из ликвидируемого подземного сооружения, проблем с доставкой отверждающих материалов не возникало, т.к. при затворении материалов рассолом на поверхности все смеси обладали хорошей регулируемой текучестью (при максимальном ж/т), а в массе рассола со временем образовывали устойчивую композицию.

Подача шлама на дизтопливе сопряжена с некоторыми трудностями, связанными с отделением и отбором выделившейся части дизтоплива для повторного его использования Некоторая часть топлива будет потеряна в виде связанной со шламовым раствором суспензии.

Из вышесказанного вытекает 3-е научное положение - впервые установлено, что применение магнезиального шлама с добавками 5-10% порошка магнезитового каустического позволяет в течение 5-6 суток перевести рассол в выработанном пространстве подземного сооружения в закладочный материал с оптимальными прочностными характеристиками (прочность при сжатии 1,0-1,5 МПа).

Основной целью настоящей работы являлось установление влияния технологических параметров приготовления и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения долговременной устойчивости подземного сооружения

Для решения поставленных задач были выбраны нефелиновый концентрат, обрабатываемый серной кислотой, и магнезиальный шлам, представляющий собой отходы магниевого производства карналлитовых хлораторов, обладающий хорошими вяжущими свойствами.

Все исследования проводились в лабораторных условиях по отработанным методикам отверждения рассолов. Общим для всех материалов является способ, который предполагает в натурных условиях на поверхности земли затворение отверждающего материала на рассоле или на дизельном топливе и подачи полученного раствора в подземное сооружение при обеспечении необходимой первоначальной подвижности смеси для прокачки буровыми насосами.

Для механизированного приготовления отверждающих составов рекомендуется применять цементосмесительные машины и агрегаты типа 2СМН-20 и УС6-30, а при работе с нефелиновым концентратом и серной кислотой - специальные кислотоустойчивые смесительные агрегаты. Для нагнетания приготовленных смесей в

емкость рекомендуется использовать цементировочные агрегаты ЦА-320, которые благодаря наличию специального насоса с двигателем могут подавать жидкость в смесительное устройство для приготовления отверждающих смесей. При подаче в выработанное пространство отверждающей смеси на устье скважины устанавливают цементировочные головки, предназначенные для соединения нагнетательных линий агрегатов с внутритрубным пространством скважины

Схема расстановки оборудования и принципиальная схема отверждения рассола в емкости показаны на рисунках 6 и 7

Рисунок 6 - Схема расстановки оборудования при проведении ликвидационных работ в емкости.

Таким образом, все способы закладки выработанного пространства подземного сооружения имеют свои отличительные особенности, заключающиеся в наличии дополнительной линии для сброса дизельного топлива, различных по назначению бункеров; выбор для каждого конкретного случая может быть осуществлен с учетом экологической и экономической эффективности одного из предлагаемых способов

В связи с тем что затраты на доставку оборудования и материалов для всех вариантов будут примерно одинаковыми, нами рассматривается только стоимость применяемых для этих целей материалов (портландцемента, шлама и нефелинового концентрата с серной кислотой) (таблица 4).

Ф- (оХРТСРУ

2. Подземная емкость

3. Скважина

4. Подвесная колонна

5. Фонтанная арматура

6 Рассол

7 Емкость с дизельным топливом

8 Емкость с серной кислотой

9 Склад нефелинового концентрата

10 Шнековый смеситель

11 Цементировочный агрегат (ЦА-320М)

12 Емкость для вытесняемого рассола

Рисунок 7 - Принципиальная схема отверждения рассола в емкости

17

Таблица 4 - Стоимость расходных материалов для консервации и ликвидации _емкости объемом 1000 м3, заполненной загрязненным рассолом_

Наименование Ед.изм Кол-во, т I Стоим, ед., I РУб I I Всего, руб (в ценах на 01 01.2005 г)

1. Применение портландцемента

ПЦТ-50 т 860 1500 1290000

Дизельное топливо т 160 7500 1200000

2. Применение магнезиального шлама

Шлам магнезиальный т 400 800 320000

Дизельное топливо мл 120 7500 I 900000 I

3 Применение с )изико-химической геотехнологии

а На рассоле

Нефелин т 75 790 59250

Кислота серная м3 31- 1000 31000

б. На дизельном топливе

Нефелин т 150 790 120000

Кислота серная м3 75 1000 75000

Дизтопливо м3 120 7500 900000

Применение нефелинового концентрата является наиболее дешевым из рассматриваемых способов перевода подземных сооружений в устойчивое безопасное состояние с одновременным обеспечением герметичности затрубного пространства скважин.

При проведении ликвидационных работ этим способом потребуется утилизация наименьшего количества выдаваемого на поверхность загрязненного рассола (до 8-10% объема подземного сооружения)

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано решение актуальной задачи обоснования и разработки технологических параметров подготовки и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения надежной консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли

Основные научные результаты и практические выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1 Установлена принципиальная возможность консервации и ликвидации емкостей при применении нефелинового концентрата и магнезиального шлама путем перевода рассола в гелеобразное или твердое состояние в выработанном пространстве с обеспечением устойчивости подземного сооружения

2 Установлены закономерности изменения свойств закладочных материалов в зависимости от соотношения компонентов в подаваемых составах на основе предлагаемых материалов

3. Установлены технологические параметры подготовки (время - 30-40 мин и скорость перемешивания 30-100 об/мин) и подачи отверждающих составов в выработанное пространство для получения закладочных материалов с оптимальными прочностными характеристиками

4 Применение предлагаемых закладочных материалов снижает затраты времени и средств на проведение консервационных и ликвидационных работ по сравнению с применяемым цементированием

5. Разработана организация проведения ликвидационных работ на базе современных технических средств подготовки и подачи отверждающих составов в выработанное пространство подземных сооружений

б Выявленные в рамках диссертационной работы закономерности изменения прочностных характеристик закладочных материалов и способы их подачи в выработанное пространство подземных сооружений, заполненных радиоактивным рассолом, использованы при обосновании проектных решений ликвидации подземных емкостей 2Т, 4Т, 5Т, 6Т и 12Т объекта «Вега» Астраханского ГКМ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Коснов Е К., Лапицкий A.A., Шустров В.П., Ноздря В.И. Гель-технология для отверждения рассола в подземных емкостях -Газ.пром - 2001 - № 8 -С 62-64

2. Шустров В.П., Лапицкий A.A., Семенов Ю В. Технология подачи гелеобразующих материалов в емкость. -Наука и техника в газовой промышленности. -2002.-№ 4. -С 43-45

3. Смирнов В.И., Шустров В.П, Лапицкий А А. Технологические параметры ликвидации подземных емкостей в каменной соли, созданных специальными методами. -Газ.пром -2003. -№ 3. -С.68-70

4. Лапицкий А.А Экспериментальные работы по переводу загрязненного рассола в подземных емкостях в гелеобразное состояние. -МГГУ, ГИАБ, -2003. -№ 6. -С 216-220

5. Лапицкий А А Технические предложения по изоляции затрубного пространства обсадных колонн при капитальном ремонте подземных резервуаров в каменной соли -МГГУ, ГИАБ. -2003. -№ 7. -С.214-217.

6 Лыгач В.Н , Ноздря В.И , Семенов Ю.В , Шустров В П , Лапицкий А.А Исследование и выявление оптимальных параметров кислотного разложения нефелинсодержащего

сырья с целью получения гидрогелевых составов для гидроизоляции буровых скважин и обезвреживания жидких отходов -МГГУ, ГИАБ -2004. -№ 3. -С 337-340 7. Самолаева Т.Н., Лапицкий А А Использование магнезиального шлама для строительства и ремонта скважин в каменных солях Науч.-тех сб Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений -М.' ООО «ИРЦ Газпром». -2004. -N2 4. -С.21-26.

Подписано в печать ¿1.11.05. Формат 60x90/16 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № Типография МГГУ. Ленинский пр , 6

»2434»

РНБ Русский фонд

2006-4 26713