Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах"

На правах рукописи

Сурин Степан Дмитриевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 2013

005532707

Москва 2013

005532707

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Физика горных пород и процессов» и ООО «Подземгазпром»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Гридин Олег Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гендлер Семен Григорьевич, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», профессор кафедры «Безопасности производств»

доктор технических наук, профессор Смирнов Вячеслав Иванович, Союз золотопромышленников России, советник

Ведущая организация - ОАО «ВНИПИгаздобыча», г. Саратов Защита состоится «25» сентября 2013 г. в 12.30 на заседании диссертационного совета Д212.128.05, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ).

Автореферат разослан «23» августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Мельник Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Интенсивное развитие газодобывающего комплекса, необходимость экологически эффективного использования природных ресурсов, а также ужесточение требований законодательства при хранении жидких углеводородов, при обращении с промышленными отходами и их захоронении, определяют специфику освоения нефтегазоконденсатных месторождений в криолитозоне.

В настоящее время для решения существующих проблем утилизации промышленных отходов и хранения жидких углеводородов на территории распространения многолетнемерзлых пород наиболее экологически эффективным и экономически целесообразным является сооружение подземных резервуаров методом оттаивания мерзлых пород через скважины. Строительство подземных резервуаров производится путем подачи теплоносителя (воды или пара) в мерзлый породный массив, что приводит к его разрушению и нагреву мерзлых грунтов за контуром строящегося резервара.

Свойства мерзлых грунтов определяются фазовым составом содержащейся в них воды, в связи с этим, мерзлые грунты обладают пластичными свойствами не только в талом состоянии, но и в спектре отрицательных температур, поэтому, в процессе строительства происходит уменьшение прочностных свойств мерзлых грунтов за контуром образующегося резервуара. Следовательно, расчет устойчивости подземных резервуаров должен учитывать динамику свойств мерзлого массива на всех стадиях их строительства и эксплуатации. Однако, существующие методики расчетов устойчивости подземных резервуаров основываются на допущении, что физико-механические свойства мерзлого массива одинаковы как на контуре выработки, так и на некотором удалении от нее, т.е. не учитывается влияние температуры массива на физико-механические свойства грунтов при строительстве резервуаров, хранении в них жидких продуктов и захоронении промышленных отходов. Более того, эксплуатация резервуаров требует учета точного времени полного промерзания отходов бурения, захороненных в подземных резервуарах, и исследования факторов, влияющих на данный процесс.

Недостаточная изученность воздействия подаваемого теплоносителя на вмещающие многолетнемерзлые породы при создании подземных резервуаров и факторов, влияющих на свойства вмещающего мерзлого массива при их эксплуатации в процессе захоронения промышленных отходов и при хранении жидких углеводородов, не позволяет в полной мере обеспечить долговременность и надежность реализации предлагаемых современных технических решений.

Актуальность настоящей работы определяется необходимостью обоснования тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, обеспечивающих их длительную устойчивость, при хранении жидкостей или подземном захоронении промышленных отходов.

Цепь диссертационной работы заключается в обосновании тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, обеспечивающих их длительную устойчивость при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения.

Идея работы состоит в математическом моделировании температурных полей в многолетнемерзлых породах с применением численных методов расчета при различных режимах строительства и эксплуатации подземных резервуаров.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах за их контуром формируется зона пластичномерзлых грунтов, мощность которой обратно пропорциональна разнице между температурой подаваемого теплоносителя и температурой фазовых переходов в мерзлых грунтах, при этом мощность указанной зоны уменьшается с 1,0 до 0,35 м с увеличением разницы температур от 5 до 20 °С.

2. При равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания утилизируемых отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади контакта многолетнемерзлых пород с отходами в его кровле; время замерзания буровых отходов изменяется от 55 до 165 лет при увеличении объема резервуаров от 1500 до 5000 м3.

3. Впервые установлено, что отношение вертикальной скорости промерзания утилизируемых отходов бурения в подземных резервуарах к горизонтальной пропорционально глубине заложения подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и возрастает от 3 до 10 раз с увеличением глубины их заложения с 15 до 75 м.

4. Впервые установлено, что использование подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для хранения жидких углеводородов с положительной температурой в летний период возможно при охлаждении вмещающего массива в зимний период; при этом необходимая температура охладителя пропорциональна квадратному корню из средней температуры воздуха в летний период и уменьшается от минус 14 до минус 48 сС с увеличением средней температуры воздуха в летний период от 8 до 18 °С.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

использованием сертифицированных средств математического моделирования;

сопоставимостью результатов численного расчета с результатами лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний;

положительным опытом внедрения научных результатов в области проектирования и строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

впервые с помощью решения задачи Стефана численными методами проведена оценка теплового воздействия хранимых жидких углеводородов и утилизируемых отходов бурения на мерзлый массив с учетом теплообмена подземных резервуаров с земной поверхностью и изменчивостью свойств мерзлых пород по глубине;

впервые установлена зависимость максимального размера зоны перехода грунтов из твердомерзлого в пластичномерзлое состояние в процессе строительства подземных резервуаров, при хранении жидких углеводородов и утилизации отходов бурения.

Научное значение диссертации заключается в:

теоретическом обосновании размеров и формы подземного резервуара, сооружаемого в мерзлых грунтах, в зависимости от температуры подаваемого теплоносителя, что позволяет оценивать устойчивость резервуаров при различном строении мерзлого массива;

установлении закономерностей движения границы промерзания буровых отходов в подземных резервуарах в зависимости от их объема, геометрии и глубины заложения;

комплексном учете факторов, влияющих на промерзание отходов бурения в подземных резервуарах, что позволяет прогнозировать параметры теплового воздействия на вмещающие мерзлые породы и делает возможным оценку времени перехода отходов в твердое состояние;

определении закономерностей формирования температурного режима на стенках резервуара, при котором обеспечивается сохранность его начальной формы при хранении жидких углеводородов с периодическими циклами их закачки/отбора;

установлении эмпирической зависимости максимально возможной температуры жидких углеводородов, хранимых в подземных резервуарах в теплый период года, от их температуры в зимнее время.

Практическое значение диссертации

Учет теплового взаимодействия подземных резервуаров между соседними выработками, вмещающими породами и объектами нефтегазового комплекса позволяет разрабатывать проектную документацию на строительство подземных резервуаров, корректировать расчет устойчивости выработок с учетом зоны теплового влияния на вмещающие породы и закладывать системы геотехнического мониторинга на основании результатов прогнозного моделирования динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров. Создана методика, позволяющая разрабатывать технологические регламенты на строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и их дальнейшую эксплуатацию при хранении жидких углеводородов и захоронении отходов бурения.

Реализация выводов и рекомендаций

Технология сооружения подземных резервуаров была испытана и применена при создании более тридцати подземных хранилищ для захоронения буровых отходов на полуострове Ямал. Результаты исследований использовались при обосновании инвестиций для строительства резервуарного парка жидких углеводородов и разработке рабочих проектов для захоронения отходов бурения. На Мастахском газоконденсатном месторождении в республике Саха (Якутия) результаты исследований использовались при корректировке регламента на эксплуатацию подземного резервуарного парка по хранению газового конденсата.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях «Неделя Горняка» в МГГУ (2008 - 2012 гг.), технических советах ООО «Подземгазпром» (2008-2011 гг.), научных конференциях ООО «Газпром» (2010-2012 гг.), кафедре ФГПиП МГГУ (2008-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 185 страницах, содержит 88 рисунков, 28 таблиц, списка использованной литературы из 72 наименований и 2 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ существующих исследований по теме

диссертации и сформулированы основные задачи исследований.

4

Подземное хранение различных продуктов давно и широко применялось в северных районах в различных целях: от маскировки военных объектов до создания естественных холодильников. В качестве полостей чаще всего выступали стволы выработанных шахт и отработанные рудники, не потерявшие устойчивость в процессе разработки. С середины 70-х годов 20 века велась разработка методики создания подземных резервуаров через скважины, позволявших существенно снизить затраты на сооружение и эксплуатацию подземных емкостей. Подземные резервуары в мерзлых грунтах могут быть применены как для длительного или краткосрочного хранения жидкостей, замерзающих при температуре ниже температуры вмещающих пород, так и для захоронения нетоксичных отходов.

Вопросам, связанным с разработкой усовершенствования методов строительства безоболочных подземных выработок через скважины в условиях вечной мерзлоты, посвящены работы Аренса В.Ж., Хрулева A.C., Смирнова В.И., Скосаревой Т.В., Бабичева Н.И., Гридина О.М., Теплова М.К., Сильвестрова Л.К. и др. Исследование теплового воздействия на мерзлый массив при строительстве различных инженерных сооружений (в том числе и подземных) активно велось на протяжении последних шести десятилетий, однако, применение численных методов математического моделирования дало качественный скачок в разработке методик оценки и прогноза динамики температурного поля в грунтовом массиве. Развитие методов расчета и прогноза динамики температурного режима в грунтовом массиве связано с именами Кудрявцева В.А., Гончарова С.А., Шуплика М.Н., Хрусталева Л.Н., И.А. Комарова, Ершова Э.Д. и др.

К особенностям создания и эксплуатации подземных выработок в условиях вечной мерзлоты можно отнести изменение физико-химических и механических свойств грунтов при изменении их температуры, а также повышенную конвергенцию выработок в процессе их эксплуатации. Расчеты устойчивости подземных резервуаров в мерзлых грунтах должны учитывать динамику свойств массива при изменении температуры мерзлых грунтов. Разработкой геомеханических моделей и устойчивости незакрепленных выработок (в том числе и для мерзлых грунтов) посвящены работы Бакпашова И.В., Картозии Б.А., Кислер Л.Н., Хпопцова В.Г., Роман Л.Т. и др.

В результате анализа опубликованных работ в области сооружения подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах можно сделать вывод, что до сих пор не исследованными остаются некоторые вопросы теплового взаимодействия продуктов хранения с вмещающим массивом, в результате которого мерзлые грунты значительно изменяют свои физико-механические свойства.

Существует множество работ, посвященных тепловому воздействию на вмещающий массив от шахтных выработок, траншейных резервуаров, заглубленных хранилищ и т.п. Данные же по безоболочным скважинным подземным резервуарам, созданным в мерзлых дисперсных породах, практически отсутствуют. В связи с этим в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Оценить степень теплового влияния на мерзлый массив при строительстве подземного резервуара через скважину.

2. Оценить влияние геометрии подземных резервуаров, их объема и глубины заложения на время промерзания отходов бурения.

3. Исследовать зону теплового влияния подземных резервуаров, заполненных буровыми отходами, на мерзлый массив.

4. Определить изменение температуры грунтов на контуре подземных резервуаров при их цикличном заполнении жидкими углеводородами.

В настоящее время, исходя из существующих представлений и имеющегося опыта, строительство подземного резервуара (рис.1) производят через скважину, обсаженную до кровли резервуара двойной обсадной колонной, ступенями с последовательным подъемом уровня раздела вода-воздух снизу вверх, что позволяет сформировать свод устойчивого равновесия в его кровле.

две

Рис. 1. Принципиальная схема а) строительства подземных резервуаров, б) эксплуатации при захоронении отходов бурения, в) эксплуатации при хранении жидких углеводородов

После обследования формы резервуара из него откачивается вода и производится монтаж технологического оборудования, используемого при эксплуатации подземного резервуара. Предложенная схема создания резервуаров через одну скважину методом

оттаивания фунта отличается простотой и надежностью при соблюдении исходного состояния мерзлого массива. Рассматриваемая технология строительства применима исключительно в мерзлых грунтах, имеющих отрицательную температуру на глубинах строительства резервуаров. Необходимым условием, обеспечивающим возможность сооружения данных подземных хранилищ, является присутствие мощных песчаных или льдистых пластов в грунтовом разрезе. При этом необходимо учитывать, что прочностные и деформационные свойства мерзлых грунтов зависят от их температуры и влажности. Для мерзлых грунтов определено понятие пластичномерзлого состояния, в котором мерзлые грунты даже при отрицательных температурах обладают явно выраженными деформационными свойствами и деформируются при приложении внешней нагрузки. Для условий Ямальского региона границей пластичномерзлого состояния в мерзлых песках с учетом содержания солей можно считать температуру минус 0,7°С, для суглинистых грунтов - минус 1,5 °С. При этом, согласно данным инженерных изысканий для территории Бованенковского месторождения, в случае изменения температуры мерзлых песков от естественной, составляющей на Бованенковском месторождении около минус 4,0 °С до минус 0,7 °С, их прочность на одноосное сжатие уменьшится на порядок с 12,2 МПа до 1,4 МПа.

Учет теплового воздействия продуктов, хранимых в подземных резервуарах, на вмещающие грунты позволит оценить мощность зоны с измененными прочностными и деформационными характеристиками в грунтах и обосновать устойчивость конкретной формы выработки. Данный подход позволит корректировать регламенты на строительство и эксплуатацию подземных резервуаров на всех стадиях их использования. Для достижения поставленной цели требуется разработать методику прогноза изменения температурных полей вблизи подземных резервуаров, включающую в себя физическую модель разрушения мерзлых грунтов, математический аппарат, описывающий данную физическую модель и численный метод, позволяющий использование предложенного математического аппарата с условиями.

Во второй главе описана методика расчета теплового взаимодействия между продуктами хранения в подземных резервуарах и окружающими мерзлыми породами, представлены исходные данные для расчетов и проведена оценка сходимости опытных данных, полученных в результате лабораторных исследований и опытно-промышленных экспериментов по размыву мерзлых грунтов, с данными численного моделирования.

Исходные данные для оценки указанного теплового взаимодействия получены на основании данных инженерных изысканий, проведенных на Бованенковском месторождении (п-ов Ямал), геологический разрез которого сложен мерзлыми

7

осадочными породами с незначительным количеством примесей гравийно-галечного материала. Скальные породы до глубин 200 - 300 м отсутствуют.

Для оценки теплового взаимодействия подземных выработок с массивом многолетнемерзлых грунтов подобрана методика, основанная на решении задачи Стефана с учетом зоны интенсивных фазовых превращений в мерзлых грунтах:

С Т>о,о<х<&, (1)

" дг дХ

с^ТЛХ,т)=л^ТЛХ,т).(т>04<х<х) (2)

дт дХ

На границе раздела фаз вводится нелинейное граничное условие (условие Стефана):

л О)

" дХ м дХ дт

где в системе СИ: Г- температура грунта, К; Л - коэффициент теплопроводности, Вт/мК; С - объемная теплоемкость, Дж/м3; Х - расстояние в одномерной системе координат, м; г - время, с; р - удельная теплота фазовых переходов влаги в грунте, Дж/кг; W- влажность грунта (доли ед.), ум - объемный вес скелета мерзлого грунта, кг/м3; f - мощность слоя мерзлого грунта, м (индексы «т» и «м» означают, что величина относится к талой или мерзлой зоне).

В классической формулировке задачи Стефана (формулы 1 - 3) предполагается, что фазовые переходы влаги в грунте происходят при определенной температуре, равной температуре замерзания, и, таким образом, имеется фронт раздела фаз в среде. Однако, грунты представляют собой сложную систему, в которой фазовые превращения влаги происходят не только при определенной температуре, но и в спектре отрицательных температур.

Существует модель, где дополнительно учтена «зона интенсивных фазовых переходов влаги». Для каждой зоны записывается свое уравнение теплопроводности (1) и (2), а для зоны фазовых переходов в уравнение вводится новое понятие - эффективная теплоемкость грунта С,ф, которая учитывает как теплоемкость мерзлого фунта, так и

теплоту фазовых переходов влаги в спектре температур:

0,,<Х<#;), (4)

где м - мощность зоны интенсивных фазовых переходов, а индекс «ф» означает,

что величина относится к этой зоне.

На границе раздела талой зоны и зоны фазовых переходов также задается условие Стефана (3), то есть предполагается существование фронта раздела фаз. На второй подвижной границе, разделяющей зону фазовых переходов и мерзлую зону, записывается условие:

з^дад агдад

ф дХ " дХ К '

Математическая модель учета зоны фазовых превращений в грунте реализована в программных продуктах «Тегто51аЬ», «Тепло», «Abaqus» и т.п. Для оценки теплового взаимодействия подземных выработок с массивом многолетнемерзлых грунтов в настоящей работе был использован пакет программ «Тепло», созданный на кафедре геокриологии МГУ им. М.В. Ломоносова (а.с. официальной регистрации программы №940281).

Прежде, чем исследовать тепловое воздействие и условия формирования температурного режима мерзлых пород при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов, необходимо было установить возможность применения данного подхода для расчета температурных полей в фунтовом массиве и оценить возможные погрешности при расчетах. Работоспособность данной методики была проверена на примере решения одномерной задачи естественного распределения температур по глубине в мерзлом массиве. Полученные данные используются как начальные условия в дальнейших расчетах.

Исходными данными для расчета естественного температурного режима мерзлых пород были следующие параметры: данные по среднемесячным температурам воздуха и снежного покрова на исследуемой территории; известная величина геотермического градиента на Ямале; граничные условия на земной поверхности, определяемые среднемесячной температурой воздуха и коэффициентом теплоотдачи. В результате было получено стационарное распределение температур по глубине в массиве грунтов. Между расчетными данными, полученными в результате численного моделирования, и натурными, характеризующих естественные температуры грунтового массива на Бованенковском месторождении, расхождение не превышает 5 - 8%, что вполне укладывается в диапазон допустимых ошибок измерения температур, допусков при задании граничных условий на поверхности при проведении численных расчетов и погрешностей при определении геотермического градиента.

Для дальнейшего подтверждения возможности использования указанного подхода к моделированию тепловых режимов мерзлого массива при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров было проведено физическое моделирование в

9

лабораторных условиях и построена физическая модель мерзлого песчаного пласта, в котором воспроизводился процесс создания подземного резервуара в одну ступень. Модель представляет собой 2 плоскости из оргстекла, между которыми наморожен пласт мерзлого песка с льдистостью 0,25 - 0,3. Внутрь массива песка проведены 2 трубки, представляющие собой модель водовода и пульповода. По водоводу в модель подавалась теплая вода, в результате воздействия которой происходило оттаивание мерзлого грунта с его дальнейшим отбором (рис. 2).

чачало

В результате проведенных опытов установлено, что мерзлый песок, оттаявший на стенках камеры, опускается на дно, образуя конус с углом естественного откоса, что необходимо учитывать при проведении численного моделирования процесса создания подземных резервуаров.

Рис. 3. Сопоставление формы резервуара по данным звуколокации и математического моделирования: - расчетный контур; ЯвИШ- контур резервуара по данным локации, - мерзлые

суглинки, - мерзлые пески (проектный _

горизонт строительства).

В дальнейшем было проведено детальное математическое моделирование процесса строительства подземного резервуара объемом до 5000 м3. Математическая модель представляет собой фрагмент геологического разреза, состоящего из трех слоев: суглинки, залегающие с поверхности до кровли резервуара на отметке 14 м, продуктивный песчаный пласт мощностью 22 м и суглинки, залегающие ниже подошвы продуктивного пласта. Физические характеристики грунтов, используемые для прогноза формообразования резервуара в процессе моделирования, получены в результате проведения инженерных изысканий на 65 кустовой площадке Бованенковского месторождения. Расхождение объема по данным численного моделирования и локации уже построенного резервуара составляет 7 - 8% (рис. 3), что доказывает возможность применения предложенной методики для прогноза формообразования подземных резервуаров и оценки теплового воздействия от хранимых продуктов на вмещающий мерзлый массив.

В третьей главе приводится постановка задачи математического моделирования, описывающей процесс строительства подземных резервуаров в мерзлых породах; представлены результаты данного моделирования и проводится оценка устойчивости подземных резервуаров в период их строительства с учетом теплового воздействия от хранимых продуктов в подземных резервуарах на вмещающий грунтовый массив.

При строительстве подземных резервуаров тепловое воздействие на мерзлый массив можно разделить на две зоны: зону грунтового массива за обсадной колонной и зону мерзлых грунтов за контуром резервуара. За обсадной колонной тепловое воздействие на мерзлые грунты оказывается в результате поддержания положительной температуры внутри технологической колонны при подъеме пульпы, подаче пара и теплой воды; на мерзлый массив за контуром резервуара непосредственное влияние оказывает вода, используемая в процессе строительства.

Для оценки изменения температурного поля за технологической колонной была построена одномерная математическая модель, в предположении, что свойства грунтов при удалении от скважины не изменяются; температура теплоносителя (вода с паром), подаваемой в хранилище, постоянна в течение всего процесса строительства. Контакт обсадной колонны и мерзлого массива описывается граничными условиями третьего рода, что обусловлено существованием теплоизолирующего прослоя воздуха между скважинным снарядом и обсадной колонной. Температура массива мерзлых грунтов в «начальный» момент времени принята постоянной и равной минус 4 °С.

Анализ проведенных расчетов показал, что даже при нагревании воздуха в воздухоподающей трубе, проходящей внутри пульповода, до 80 °С, за месяц

11

непрерывной подачи пара в резервуар мерзлые грунты не выходят из твердомерзлого состояния, граница которого для мерзлых покровных суглинков на территории Ямала составляет около минус 1,5 °С (рис. 4а).

Время, сут

Температур, 'С

Рис. 4. а) распределение температур за обсадной колонной: точками - при поддержании температуры внутри технологической колонны в 30 °С; сплошной линией - 50 °С, пунктиром - 80 "С; 6) значение коэффициента к, в зависимости от температуры внутри технологической колонны

Данное распределение хорошо аппроксимируется зависимостью вида Т = кг\п(х)-к2, где коэффициент к1 зависит от температуры в обсадной колонне (рис. 46). На основании полученных результатов итоговую зависимость температуры мерзлых грунтов за обсадной колонной от времени строительства можно представить в виде: Г = (0,51п(г) -1,55) ■ 1п(г) -4,03, где Г - температура в обсадной колонне, °С; г - время в сутках.

Для оценки теплового воздействия за контуром резервуара необходимо решить двухмерную задачу. С этой целью построена математическая модель, описывающая технологию строительства подземных резервуаров, основанная на следующих упрощающих допущениях: вмещающий мерзлый грунтовый массив принят однородным и изотропным; рассмотрена одиночная осесимметричная подземная выработка, создаваемая в мерзлых песках; тепловое взаимодействие с другими выработками не учитывается; температура грунта в начальный момент времени принята неизменной по глубине; оттаявший грунт оседает на дно подземных резервуаров и эрлифтируется на земную поверхность. Данный расчет был проделан для температуры воды 5, 10 и 20 °С, подаваемой в мерзлый массив в процессе строительства.

В результате проведенного численного моделирования процесса образования подземных резервуаров получено распределение температур за контуром резервуара на любой момент времени строительства. Анализ полученных данных показал, что с ростом

объема резервуара температура грунтов за его контуром постепенно увеличивается, при этом также отмечается рост зоны грунтов, в которой увеличены их пластичные свойства с сохранением мерзлого состояния.

При прочих равных условиях использование воды большей температуры ускоряет процесс строительства подземных резервуаров. Однако, необходимо отметить, что на момент окончания строительства резервуара температура грунтов за его контуром будет ниже в случае использования воды более высокой температуры (рис. 5а). Причем мощность зоны грунтов в пластичномерзлом состоянии, при использовании в строительстве воды высокой температуры, также сокращается (рис. 56). Это связано с тем, что количество тепла, проходящего в грунтовый массив, зависит, прежде всего, от теплопроводности мерзлого песка, причем скорость распространения температурной волны в массиве мерзлых песков сопоставима со скоростью продвижения границы оттаивания.

у = 0,08м

С

• » 20С

у = 0,07х"

Время, суг

Рис. 5. а) распределение температур грунтов вблизи контура подземного резервуара объемом 1700 м3 на момент окончания строительства в зависимости от температуры используемой воды; б) мощность зоны пластичномерзлого состояния на момент окончания строительства резервуара объемом 1700 м3 в зависимости от температуры используемоО воды

Температура грунтов за контуром резервуара хорошо аппроксимируется зависимостью вида Т = Г0 - к{е~к2Х, где коэффициент к2 зависит от температуры подаваемой воды, а Т0 соответствует начальной средней температуре мерзлого массива на глубинах заложения подземного резервуара. Для начальной температуры мерзлого массива минус 4 °С (рис. 5а) указанную зависимость можно представить в виде:

1 где кг изменяется в диапазоне от минус 4,5 для воды с температурой 20 °С до минус 2,5 для воды с температурой 5 °С.

Указанные коэффициенты, полученные на основании проведенных расчетов, могут быть использованы для приближенной оценки изменения температуры массива мерзлых

фунтов за контуром выработок при проектировании подземных резервуаров в мерзлых песках. Для мерзлых песков, в которых создаются подземные резервуары, была проведена оценка мощности зоны, в которой мерзлые фунты переходят в пластичное состояние (рис. 56).

Мощность зоны пластичномерзлых грунтов за контуром резервуара можно описать

£

степенной функцией: £=*,г 2' Коэффициент /о изменяется от 0,07 до 0,08 при увеличении разницы между температурой подаваемой воды и температурой фазовых переходов в грунте от 5 до 20 °С, коэффициент к2 зависит от температуры подаваемой воды и изменяется в пределах от 0,5 до 0,6 при увеличении температуры подаваемой воды от 5 до 20 °С, время строительства резервуара. Из данной зависимости хорошо видно, что мощность зоны пластичномерзлого состояния за контуром резервуара уменьшается, при использовании в процессе строительства воды с большей температурой.

Факт уменьшения зоны пластичномерзлого состояния грунтов вблизи подземных резервуаров при использовании в процессе их строительства воды с большей температурой объясняется тем, что скорость распространения температурной волны в массиве мерзлых песков, определяемая прежде всего теплопроводностью грунтов, сопоставима со скоростью продвижения границы оттаивания. При уменьшении температуры воды в подземном резервуаре скорость оттаивания грунтов на их контуре резко падает при сохранении скорости распространения температурной волны в мерзлых грунтах, что приводит к увеличению мощности зоны пластичномерзлого состояния за контуром резервуара.

Четвертая глава посвящена оценке теплового воздействия на породный массив при эксплуатации подземных резервуаров: захоронении буровых отходов и хранении жидких углеводородов.

В процессе исследования теплового воздействия на вмещающий массив от отходов бурения, утилизируемых в подземных резервуарах, оценивается время полного замерзания отходов бурения, факторы, влияющие на данный процесс, использование сезонно-охлаждающих установок для интенсификации процесса замерзания отходов и взаимодействие подземных резервуаров с эксплуатационными газовыми скважинами.

Для оценки теплового воздействия на фунтовый массив при утилизации отходов бурения в подземных резервуарах была построена математическая модель, основанная на следующих исходных параметрах: рассмотрены одиночные осесимметричные подземные выработки объемом от 1500 до 5000 м3; тепловое взаимодействие с соседними резервуарами не учитывается; смоделирован процесс частичного заполнения

подземной выработки (на 90 - 95%); исходная температура отходов бурения считается постоянной по высоте резервуара. В результате расчетов на любой момент времени получено распределение температур в мерзлом массиве и размер зоны перехода мерзлых грунтов в пластичномерзлое состояние.

Данные по результатам моделирования процесса замерзания буровых отходов в подземных резервуарах представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Расчетное время промерзания отходов бурения в подземных резервуарах в зависимости от глубины заложения и формы выработки

Объем Глубина заложения кровли м Высота резервуара, м Радиус резервуара, м Время промерзания, год

1700 15 15 6.0 62

10 7.4 55

30 15 6.0 77

10 7.4 67

3500 15 15 8.6 92

10 10.6 71

30 15 8.6 117

10 10.6 83

5000 15 20 8.9 122

15 10.3 99

30 20 8.9 165

15 10.3 133

') покрывающие породы представлены суглинками, имеющими теплопроводность в мерзлом состоянии 1,57 Вт/и К

Анализ проведенных расчетов показывает, что для равных геологических условий заложения подземных резервуаров время промерзания утилизируемых буровых отходов зависит от объема выработки, ее геометрии и литологического состава грунтов, находящихся над кровлей резервуара.

Как видно из таблицы 1 в резервуарах одинакового объема и находящихся на одной глубине, но меньших по высоте и большего радиуса, буровые отходы замерзают на 10 - 20% быстрее, чем в резервуарах небольшого радиуса, но больших по высоте. Это объясняется тем, что в отличие от применяемых ранее аналитических методов расчета, основанных на допущении бесконечности мерзлого массива, время промерзания хранимых продуктов, полученное в результате численного моделирования, существенно увеличивается за счет учета сложных условий теплообмена подземных выработок с вмещающими грунтами (учет геотермического градиента, теплообмена с дневной поверхностью, нагрева мерзлого массива и т.д.).

Влияние формы подземного резервуара на время полного замерзания утилизируемых отходов объясняется тем, что процесс замерзания буровых отходов обуславливается их теплообменом с поверхностью, т.е. у резервуаров с плоской кровлей большого радиуса существенно увеличена площадь теплообмена с поверхностью, что интенсифицирует процесс промерзания отходов в резервуаре. Данное утверждение подтверждается исследованием влияния литологического состава мерзлых пород, покрывающих резервуары, на время полного замерзания отходов бурения.

Было проведено исследование зависимости времени промерзания буровых отходов от состава покрывающих грунтов на подземном резервуаре цилиндрической формы объемом 1700 м3 радиусом 6,0 м, высотой 15,0 м, кровля которого располагалась на глубине 15,0 м от земной поверхности. Установлено, что в ряду «глина - суглинок -супесь - песок» с соответствующими значениями теплопроводности «1,3-1,6-1,7-1,8» (Вт/м К) время полного замерзания буровых отходов в подземном резервуаре составляет «68 - 62 - 54 - 32» лет соответственно.

Обобщая проведенные расчеты, можно сделать вывод, что при залегании над резервуаром глинистых грунтов, обладающих меньшей теплопроводностью, нежели песчаные, время промерзания отходов бурения существенно увеличивается, как и при увеличении глубины заложения резервуара. Таким образом, отходы бурения промерзают, преимущественно, в результате теплообмена с дневной поверхностью, а окружающий массив оказывает меньшее влияние.

Дальнейшее исследование взаимодействия подземных хранилищ с вмещающим массивом с помощью численного моделирования показало, что скорость и направление промерзания буровых отходов, находящихся в резервуарах, отличаются по вертикали и горизонтали.

Буровые отходы отдают тепло в мерзлый массив, нагревая его, затем происходит постепенное охлаждение буровых отходов и их промерзание. Для резервуаров любой формы и объема характерно наступление максимального теплового воздействия на мерзлый массив через 3-4 года после их заполнения буровыми отходами. Причем наиболее сильный нагрев массива проявляется не под дном выработки, а на некотором удалении от оси симметрии.

Необходимо отметить, что промерзание хранилищ происходит сверху вниз и от стенок камеры к центру, при этом скорость промерзания по вертикали в 3 - 10 раз превышает скорость промерзания по горизонтали. На рис. 6 хорошо видно, что после начала замерзания резервуара при заполнении резервуара объемом 3000 м3 отходами

бурения мощность мерзлой зоны в кровле резервуара превышает мощность мерзлой зоны на его стенке.

Мерзлый грунт в твердом состянии

V,

/

Мерзлый грунт з пластичном

СОСТЯНИИ

Граница зоны пластичномерзлых грунтоа

Зона талых буровых отходов через 50 гют

Зона талых буровых отходов через 3 года

Зона талых буровых отходов через 15 пет

Буровые отходы в подземном резервуаре

Рис. 6. Максимальный размер зоны ппастичномерзлого состояния грунтов и форма талой зоны подземного резервуара объемом 3000 м3 через 3, 15 и 50 лет после его заполнения буровыми отходами

В процессе замерзания утилизируемых отходов за контуром выработок формируется зона пластичномерзлых грунтов, что необходимо учитывать при расчете длительной устойчивости резервуаров в период их эксплуатации. Размер данной зоны зависит от объема резервуаров и варьируется в пределах от 0,3 м для резервуаров объемом 1700 м3 до 1,0 м для резервуаров объемом 5000 м3. Максимальный размер зоны теплового влияния, где фиксируется изменение температуры на 0,5 °С, равен 7,0 м для резервуаров объемом 1700 м3 и 16,0 м для резервуаров объемом 5000 м3.

С точки зрения возможного удаления подземных резервуаров для захоронения буровых отходов от эксплуатационных газовых скважин, где эти отходы образуются, в работе оценено влияние от данных скважин на заполненные подземные резервуары. В период эксплуатации месторождения (в среднем 25 - 30 лет) вокруг нефтяной или газовой скважины в мерзлых грунтах формируется радиус оттаивания мощностью до 18 -20 м на глубинах заложения подземных резервуаров. В случае использования теплоизоляционных покрытый в конструкции эксплуатационных скважин радиусы оттаивания мерзлых пород вокруг существенно сокращаются (в 1,8 - 2,2 раза), но не исчезают полностью.

Для оценки теплового влияния одиночной эксплуатационной газовой скважины на подземные резервуары была решена задача при следующих допущениях: рассматривается горизонтальное сечение в мерзлых песках на глубине 40 м, что соответствует глубине заложения центральной части подземных резервуаров; на начальный момент времени подземные резервуары объемом 5000 м3 считаются полностью заполненными буровыми отходами при температуре +4 °С; расстояние между скважинами подземных резервуаров и эксплуатационной скважиной принято равным 50 м. Результаты расчета показывают, что без использования теплоизоляции скважины через 25 лет ее эксплуатации температура мерзлых пород вблизи подземных хранилищ составляет минус 1,1 °С, что выше температуры фазовых переходов в буровых отходах. Следовательно, при создании подземных резервуаров на расстоянии 50 м и менее от эксплуатационной скважины процесс замораживания буровых отходов невозможен. В случае теплоизоляции скважины сохраняются условия замерзания отходов.

Минимально возможным расстоянием, на котором температура грунтов за 25 лет не становится выше температуры фазовых переходов в буровых отходов для эксплуатационных скважин с теплоизоляцией, составляет 44 м; для скважин без теплоизоляции - 80 м. Данные расстояния определяют минимально возможную дистанцию, ближе которой строительство подземных резервуаров для захоронения буровых отходов не рекомендуется.

Второй цикл расчетов в четвертой главе описывает хранение жидких углеводородов в подземных резервуарах. При исследовании теплового воздействия на мерзлые грунты в процессе хранения жидких углеводородов учитывалось, что при хранении жидких углеводородов возникает ряд ограничений по температуре закачиваемого в резервуар продукта, сроку его хранения и режиму закачки/откачки. Был смоделирован процесс заполнения выработки газовым конденсатом с положительной температурой, со следующими допущениями: рассматривается одиночная подземная выработка объемом 3500 м3, с вертикальной осью симметрии; температура грунта в естественных условиях считается неизменной во времени и по глубине; температура газового конденсата, закачиваемого в резервуар, соответствовала максимальной среднемесячной температуре воздуха в Ямальском регионе 8,1 °С.

Режим заполнения подземных резервуаров жидкими углеводородами должен предусматривать поддержание их в устойчивом состоянии. Для этого рекомендуется регламентом на эксплуатацию предусматривать заполнение подземных резервуаров жидкими углеводородами с условием максимального нагрева грунтов на контуре выработки до температуры пластичномерзлого состояния. При возникновении

18

необходимости длительного хранения жидких углеводородов в резервуарах (например, в течение летнего периода) необходимо предусмотреть меры, направленные на предотвращение оттаивания мерзлых пород на стенках резервуара. В связи с этим предлагается захолаживание выработки в зимний период хранимым продуктом, подаваемым в резервуар с отрицательной температурой.

.о

• о Т охпаащения * 25 «в" Г ошажденйя -15 -7

Время, мес

Температура охладителя,°С

Рис. 7. а) динамика температуры в летний период (4 месяца) за стенкой резервуара при заливе теплого продукта с среднемесячной температурой воздуха на территории Бованенковсюго НГКМ в зависимости от степени захолаживания камеры в зимний период; 6) Зависимость необходимой температуры жидких углеводородов в зимний период (8 холодных месяцев) для охлаждения грунтового массива от их средней температуры в летний период (4 месяца)

Численное моделирование процесса охлаждения мерзлого массива в зимний период газовым конденсатом с отрицательной температурой позволило определить для условий Ямала необходимую температуру охладителя. При ежемесячной закачке летом 3500 м3 газового конденсата в подземный резервуар с температурой до 8,1 °С требуется в зимнее время ежемесячно проводить охлахедение вмещающего массива продуктом с средней температурой не выше минус 15 °С (рис. 7а).

Дальнейший анализ результатов расчетов позволил описать максимально возможную температуру летнего периода от возможной средней температуры жидких углеводородов в зимний период следующей зависимостью: = -0,01 • - 0,94 • Тю - 3,80. Отсюда необходимая температура, до которой требуется охлаждение жидких отходов в зимнее время, составляет: ^-^944-103-^-48.

В настоящее время разработка проектной документации на строительство и эксплуатацию подземных резервуаров ненадежна и требует доработки. Предлагается методика, корректирующая существующий порядок разработки проектной документации и регламентов на строительство и эксплуатацию подземных резервуаров.

19

Алгоритм разработки проектной документации представлен на рис. 8. Данную последовательность действий следует считать предварительным этапом, на котором происходит определение принципиальной возможности создания резервуаров в мерзлых породах. Алгоритм требуется дополнить блоком учета изменения свойств мерзлых грунтов в результате теплового воздействия.

Рис.8. Рекомендуемые этапы разработки проектной документации при проектировании подземных резервуаров в мерзлых породах (сплошная рамка - существующие этапы проектирования подземных резервуаров; пунктиром - предлагаемое дополнение)

После получения предварительной устойчивой формы выработки и разработки регламента на размыв и эксплуатацию необходимо изучить динамику температурных полей вблизи проектируемого объекта и определить степень изменения прочностных свойств мерзлого массива из-за теплового воздействия продуктов, хранимых в выработке. Далее следует повторить расчет устойчивости выработки с учетом изменения свойств мерзлых грунтов с использованием сертифицированных программных комплексов, например программ АЬаяиэ и Р1ах1э. При подтверждении устойчивости резервуара в течение всего срока эксплуатации можно приступать к проектным работам. В случае же изменения устойчивого состояния кровли или стенок выработки необходимо вернуться к определению исходных параметров выработки и пересмотреть либо объем резервуара, либо режимы строительства и эксплуатации, приводящие к потере устойчивости. Учет влияния данных факторов на мерзлый массив гарантирует длительную и надежную эксплуатацию подземных хранилищ обеспечивает качество проектной документации.

Таким образом, обобщая результаты диссертационного исследования, разработана и научно обоснована методика расчета изменения температур мерзлого массива при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров в

многолетнемерзлых породах. Установленные в настоящей работе закономерности использованы при разработке рабочих проектов на строительство серии подземных резервуаров для захоронения отходов бурения общим объемом до 300 тыс. м3 и при обосновании системы геотехнического мониторинга подземного склада ГСМ на территории Бованенковского месторождения. В настоящее время на основании проведенных исследований создается программный комплекс моделирования образования подземных резервуаров в мерзлых породах различного генезиса и структуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, позволяющее сохранять в устойчивом состоянии резервуары в мерзлом массиве в течение длительного времени при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения, что имеет важное народно-хозяйственное значение для районов распространения многолетнемерзлых пород.

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

1. Тепловое воздействия на мерзлые породы вблизи стенок подземных резервуаров влияет на их устойчивость за счет изменения прочностных и деформационных свойств мерзлых пород, при этом на этапе сооружения мощность пластичного песчаного слоя за стенкой резервуара обратно пропорциональна температуре внутри подземного резервуара. Вблизи обсадной колонны не происходит перехода мерзлых грунтов в пластичномерзлое состояние при соблюдении технологии строительства, при этом естественное поле температур вблизи обсадной колонны подземного резервуара восстанавливается в течение нескольких суток.

2. На стадии сооружения подземного резервуара при соблюдении рационального теплового режима подаваемое в резервуар тепло идет только на оттаивание мерзлых песков и не проходит вглубь массива, вследствие чего не происходит увеличение температуры мерзлых грунтов, и пески не переходят в пластичномерзлое состояние, что обеспечивает сохранение устойчивости выработки в процессе строительства. В процессе создания резервуаров скорость движения границы области повышенной естественной температуры в массив мерзлых грунтов сопоставима с линейной скоростью оттаивания стенки.

3. Показано, что при равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади смоченной поверхности в кровле подземного резервуара.

4. Показано, что скорость промерзания отходов в подземных резервуарах различна по вертикали и горизонтали и зависит от глубины их заложения. При этом в естественных условиях отношение вертикальной скорости промерзания к горизонтальной обратно пропорционально глубине заложения подземных резервуаров и возрастает от 5 до 10 раз с увеличением глубины заложения с 15 до 75 м.

5. Сохранение мерзлого состояния вмещающего массива зависит от объемов используемых резервуаров, теплофизических свойств пород, слагающих массив, и начальных температур утилизируемых отходов бурения, при этом для обеспечения эксплуатационной надежности расстояние между эксплуатационной скважиной и резервуаром должно составлять не менее 44 м для эксплуатационных скважин с теплоизоляцией; для скважин без теплоизоляции - 80 м.

6. Установлено, что на стадии эксплуатации подземных резервуаров при цикличном режиме заполнения жидкими углеводородами и их отборе необходимая температура, до которой требуется охлаждение жидких отходов в зимнее время, составляет: = ф 944 -103 • Т>см - 48.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. O.E. Аксютин, В .А. Казарян, А.Г. Ишков, В.Г. Хлопцов, М.К. Теплое, A.C. Хрулев, О.И. Савич, С.Д. Сурин. Строительство и эксплуатация резервуаров в многолетнемерзлых осадочных породах. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013-432 с.

2. С.Д. Сурин, А.Н. Карпухин. Оценка теплового воздействия при строительстве скважинных резервуаров для захоронения отходов бурения. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень., 2009. - №12. - стр. 297-305.

3. О.И. Савич, А.Н. Карпухин, С.Д. Сурин. Использование отработанных камер скважинной гидродобычи песка для хранения жидких углеводородов и захоронения отходов бурения на нефтегазоконденсатных месторождениях полуострова Ямал. Горный информационно-аналитический бюллетень., 2010. - №3. - стр. 298-305.

4. А.Н. Карпухин, О.И. Савич, С.Д. Сурин. Особенности процесса оттаивания многолетнемерзлых песков при скважинной гидродобыче на полуострове Ямал. Горный информационно-аналитический бюллетень., 2010. - №4. - стр. 365-377.

22

5. С.Д. Сурин. Оценка теплового воздействия на массив мерзлых пород при захоронении буровых отходов в подземных резервуарах. Горный информационно-аналитический бюллетень., 2010. - №5. - стр. 309-330.

6. О.М. Гридин, С.Д. Сурин, О.И. Савич. Исследование теплового воздействия на многолетнемерзлые породы при хранении жидких углеводородов в подземных резервуарах. Горный информационно-аналитический бюллетень., 2011. - №6. - стр. 319324.

7. A.C. Хрулев, А Н. Карпухин, С.Д. Сурин. Обоснование скважинной гидродобычи песка на полуострове Ямал. Горный информационно-аналитический бюллетень., 2011. -№8.-стр. 328-336.

8. В.А. Казарян, A.C. Хрулев, О.И. Савич, С.Д. Сурин, Д.В. Шергин, К.Н. Горшков. Строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для хранения жидких углеводородов и захоронения промышленных отходов. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. №6/2012 - стр. 42-45.

Подписано в печать 21.08.2013. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2676

ИЗДАТЕЛЬСТВО ^^МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сурин, Степан Дмитриевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Московский государственный горный университет» и ООО «Подземгазпром»

04201361965 На пРавах Рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Гридин О.М.

Москва

2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................................2

1. Глава 1 - Обзор работ в области сооружения подземных резервуаров....................8

1.1. Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах ..................................................................................................................................8

1.2. Особенности сооружения подземных резервуаров в условиях многолетнемерзлых грунтов...............................................................................................17

1.3. Оценка теплового воздействия при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров...........................................................................................................................21

1.4. Выводы, цели и задачи исследований................................................................30

2. Глава 2 - Обоснование физической и математической модели процессов теплообмена теплоносителя с многолетнемерзлыми породами при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров.......................................................................................................34

2.1. Математическая модель процесса теплообмена........................................................34

2.2. Численный метод расчета.............................................................................................38

2.3. Исходные данные для математического моделирования процессов теплового воздействия от подземных резервуаров на мерзлый массив...........................................43

2.4. Проверка возможности использования расчетного метода для решения поставленных задач..............................................................................................................47

2.5. Экспериментальные исследования параметров сооружения подземных резервуаров

................................................................................................................................53

2.6. Выводы...........................................................................................................................68

3. Глава 3 - Влияние параметров теплообмена на форму, размеры и объем подземных резервуаров при их сооружении.........................................................................................69

3.2. Расчет параметров процесса восстановления температурного режима мерзлого массива ..................................................................................................................... 78

3.3. Результат расчета влияния свойств массива грунтов на сохранность формы подземных резервуаров.......................................................................................................80

3.4. Выводы.........................................................................................................................100

Глава 4 - Влияние параметров теплообмена на изменение формы, размеров и объема

подземных резервуаров при их эксплуатации.................................................................101

4.1. Исследование температурного режима мерзлого массива при хранении жидких

углеводородов ................................................................................................................... 101

4.2 Исследование температурного режима мерзлого массива при захоронении отходов бурения в подземных резервуарах....................................................................................113

4.3. Методика прогнозирования устойчивости подземных резервуаров при их сооружении в многолетнемерзлых породах....................................................................126

4.4. Выводы................................................................................................................135

Глава 5 - Расчет экономических показателей.................................................................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................145

Список использованной литературы................................................................................147

Приложение А. Геологическая характеристика Бованенковского НГКМ...................153

Приложение Б. Расчеты теплового воздействия при строительстве подземных резервуаров.........................................................................................................................160

Введение

Актуальность исследования. Интенсивное развитие газодобывающего комплекса, экологически эффективное использование природных ресурсов и, в то же время, требования законодательства по обращению и захоронению промышленных отходов и хранению жидких углеводородов определяют специфику освоения нефтегазоконденсатных месторождений на Крайнем Севере РФ. Например, при освоении одного Бованенковского НГКМ в результате бурения промысловых скважин образуется около 300 тыс. м буровых отходов, имеющих четвертый класс экологической опасности. Применяемый в настоящее время амбарный метод хранения данных отходов в условиях затопления паводковыми водами до 80% осваиваемой территории запрещен к использованию, вывоз такого объема отходов не представляется возможным, а цеха по нейтрализации буровых отходов и их закачка в глубокие поглощающие горизонты представляются экономически неэффективными. Можно сделать вывод, что используемые в настоящее время методы утилизации или нейтрализации отходов бурения не соответствуют экологическим стандартам (или соответствуют лишь частично) и применяются до сих пор исключительно ввиду отсутствия других предложений в этой области.

Помимо экологических проблем, сопутствующих утилизации отходов бурения, на северных месторождениях существует острая нехватка грунтов, пригодных для отсыпки территории под строительство объектов нефтегазового промысла. Открытая отработка песчаных и гравийных пород в криолитозоне вызывает нарушение сплошности мохового покрова, интенсифицирует опасные геокриологические процессы (солифлюкция, термокарст, эрозия и т.п.). При этом организации, занимающиеся освоением месторождений, вынуждены мириться с принятым законодательством и выплачивать существенные штрафы за нарушение существующей экосистемы.

В связи с этим предлагается создание на территориях северных месторождений подземных комплексов, позволяющих решить вопрос утилизации

большого объема буровых отходов без нанесения вреда природной среде.

2

Подземное захоронение промышленных отходов в мерзлых породах позволит исключить утечки в речную сеть химических реагентов, оставшихся в шламе после обезвоживания, и предотвратить влияние на местную флору и фауну. При заложении подземных выработок ниже слоя нулевых годовых амплитуд в криолитозоне произойдет постепенный переход буровых отходов в твердомерзлое состояние, после чего негативное влияние на окружающую среду полностью исчезнет. Более того, льдистые горные породы обладают прекрасными водоупорными характеристиками, исключающими возможность фильтрации буровых отходов в мерзлый массив. Однако, само по себе строительство подземных сооружений в областях вечной мерзлоты требует существенных финансовых вложений и может сделать нерентабельным утилизацию буровых отходов данным методом.

В настоящее время активно используется технология скважинной гидродобычи, которая позволяет разрабатывать несвязные горные породы и поднимать их на поверхность за счет гидравлической и тепловой энергии воды. В результате водотеплового разрушения пород в мерзлом массиве получаются полости, которые можно использовать для утилизации промышленных отходов. По совокупности факторов скорости разрушения породы водотепловым способом и возможности подъема оттаявшей породы на поверхность в областях вечной мерзлоты оптимальными породами, с точки зрения технологии скважинной гидродобычи, являются мерзлые пески.

Можно сделать вывод, что эффективным методом борьбы с экологическим воздействием на северную природу является захоронение отходов бурения в подземных резервуарах, созданных в мерзлых песках методом скважинной гидродобычи, с дальнейшим естественным промораживанием данных отходов. В результате строительства серии резервуаров на территориях северных нефтегазовых месторождений в качестве еще одного положительного аспекта можно отметить

образование большого количества кондиционного промытого песка, идущего на строительные нужды для отсыпки дорог и кустовых площадок.

Подземное хранение применимо к арктическому дизельному топливу, газовому конденсату и продуктам его переработки, а также к прочим горючим жидким веществам, содержащимся в настоящее время в наземных емкостях. Утечка топлива или продуктов переработки газа приводит к последствиям, ущерб от которых невозможно переоценить. Подземное хранение существенно снижает риски возгорания жидких углеводородов, потери продукта при больших дыханиях за счет поддержания отрицательных температур, утечек по сравнению с наземными резервуарами, риск взрывоопасное™, снижает расход метала и затраты на эксплуатацию резервуаров. Как следствие, подземное хранение жидких углеводородов существенно понижает трудо- и материалозатраты освоения месторождений на Севере. Недостаточная изученность процессов взаимодействия воды с мерзлым массивом при строительстве подземных резервуаров, а также отходов бурения и жидких углеводородов в процессе эксплуатации не позволяет гарантировать устойчивость подземных выработок в течение всего срока их использования. Актуальность настоящей работы определяется необходимостью обоснования тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, повышающих их длительную устойчивость, при хранении жидкостей или подземном захоронении промышленных отходов.

Цель диссертационной работы заключается в обосновании тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, обеспечивающих их длительную устойчивость при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения.

Идея работы состоит в математическом моделировании температурных полей в многолетнемерзлых породах с применением численных методов расчета при различных режимах строительства и эксплуатации подземных резервуаров.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах за их контуром формируется зона пластичномерзлых грунтов, мощность которой обратно пропорциональна разнице между температурой подаваемого теплоносителя и температурой фазовых переходов в мерзлых грунтах, при этом мощность указанной зоны уменьшается с 1,0 до 0,35 м с увеличением разницы температур от 5 до 20 °С.

2. При равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания утилизируемых отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади контакта многолетнемерзлых пород с отходами в его кровле; время замерзания буровых отходов изменяется от 55 до 165 лет при увеличении объема резервуаров от 1500 до 5000 м3.

3. Впервые установлено, что отношение вертикальной скорости промерзания утилизируемых отходов бурения в подземных резервуарах к горизонтальной пропорционально глубине заложения подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и возрастает от 3 до 10 раз с увеличением глубины их заложения с 15 до 75 м.

4. Впервые установлено, что использование подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для хранения жидких углеводородов с положительной температурой в летний период возможно при охлаждении вмещающего массива в зимний период; при этом необходимая температура охладителя пропорциональна квадратному корню из средней температуры воздуха в летний период и уменьшается от минус 14 до минус 48 °С с увеличением средней температуры воздуха в летний период от 8 до 18 °С.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием сертифицированных средств математического моделирования;

- сопоставимостью результатов численного расчета с результатами

лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний;

5

- положительным опытом внедрения научных результатов в области проектирования и строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые с помощью решения задачи Стефана численными методами проведена оценка теплового воздействия хранимых жидких углеводородов и утилизируемых отходов бурения на мерзлый массив с учетом теплообмена подземных резервуаров с земной поверхностью и изменчивостью свойств мерзлых пород по глубине;

- впервые установлена зависимость максимального размера зоны перехода грунтов из твердомерзлого в пластичномерзлое состояние в процессе строительства подземных резервуаров, при хранении жидких углеводородов и утилизации отходов бурения.

Научное значение диссертации заключается в:

- теоретическом обосновании размеров и формы подземного резервуара, сооружаемого в мерзлых грунтах, в зависимости от температуры подаваемого теплоносителя, что позволяет оценивать устойчивость резервуаров при различном строении мерзлого массива;

- установлении закономерностей движения границы промерзания буровых отходов в подземных резервуарах в зависимости от их объема, геометрии и глубины заложения;

- комплексном учете факторов, влияющих на промерзание отходов бурения в подземных резервуарах, что позволяет прогнозировать параметры теплового воздействия на вмещающие мерзлые породы и делает возможным оценку времени перехода отходов в твердое состояние;

- определении закономерностей формирования температурного режима на стенках резервуара, при котором обеспечивается сохранность его начальной формы при хранении жидких углеводородов с периодическими циклами их закачки/отбора;

- установлении эмпирической зависимости максимально возможной температуры жидких углеводородов, хранимых в подземных резервуарах в теплый период года, от их температуры в зимнее время.

Практическое значение диссертации

Учет теплового взаимодействия подземных резервуаров между соседними выработками, вмещающими породами и объектами нефтегазового комплекса позволяет разрабатывать проектную документацию на строительство подземных резервуаров, корректировать расчет устойчивости выработок с учетом зоны теплового влияния на вмещающие породы и закладывать системы геотехнического мониторинга на основании результатов прогнозного моделирования динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров. Создана методика, позволяющая разрабатывать технологические регламенты на строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и их дальнейшую эксплуатацию при хранении жидких углеводородов и захоронении отходов бурения.

Реализация выводов и рекомендаций

Технология сооружения подземных резервуаров была испытана и применена при создании более тридцати подземных хранилищ для захоронения буровых отходов на полуострове Ямал. Результаты исследований использовались при обосновании инвестиций для строительства резервуарного парка жидких углеводородов и разработке рабочих проектов для захоронения отходов бурения. На Мастахском газоконденсатном месторождении в республике Саха (Якутия) результаты исследований использовались при корректировке регламента на эксплуатацию подземного резервуарного парка по хранению газового конденсата.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях «Неделя Горняка» в МГГУ (2008 - 2012 гг.), технических советах ООО «Подземгазпром» (2008-2011 гг.), научных конференциях ООО «Газпром» (2010-2012 гг.), кафедре ФГПиПМГГУ (2008-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 185 страницах, содержит 88 рисунков, 28 таблиц, списка использованной литературы из 72 наименований и 2 приложений.

1. Глава 1 - Обзор работ в области сооружения подземных резервуаров

1.1. Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах

Подземное хранение жидких продуктов в криолитозоне возможно благодаря хорошим экранирующим свойствам мерзлого массива. Подземное хранение в мерзлых грунтах используется в народном хозяйстве с конца XIX века. Однако, до 70-х годов XX века подземные хранилища в мерзлоте создавались исключительно шахтным методом или траншейным методом с последующей обваловкой производственного объекта грунтом.

Подземные шахтные выработки для хранения продуктов переработки газа, углеводородного топлива и воды активно используются мерзлых грунтах в республике Якутия, на Полярном Урале, севере Тюменской области, в Магаданской области, а также в Канаде и США [54]. На Крайнем Севере по