Содержание к диссертации
Введение
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
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
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
- Оценка теплового воздействия при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров
- Исходные данные для математического моделирования процессов теплового воздействия от подземных резервуаров на мерзлый массив
- Результат расчета влияния свойств массива грунтов на сохранность формы подземных резервуаров
- Исследование температурного режима мерзлого массива при захоронении отходов бурения в подземных резервуарах
Введение к работе
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.
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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;
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 000 «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.
Оценка теплового воздействия при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров
При полном заполнении подземной выработки водой на этапе строительства разрушение мерзлых пород происходит за счет оттаивания и нарушения структурных связей в мерзлых породах. Ввиду того, что в заполненной водой полости при радиусе выработки более 2-3 м разрушительное действие водной струи практически неощутимо [1], то размыв резервуара идет за счет теплового воздействия на мерзлые породы. Тепло, подаваемое в камеру с водой и паром, доставляется до мерзлой стенки при перемешивании воды внутри выработки. Мерзлые породы на контуре выработки оттаивают и, при достижении талого слоя некоторой величины, отрываются от вертикальной стенки и оседают на дне резервуара с образованием угла естественного откоса. Мощность талого слоя не стенке подземного резервуара в процессе строительства зависит от свойств вмещающих пород и скорости движения воды вдоль стенки, которая, в свою очередь, определяется объемом выработки и производительностью подачи воды в резервуар. Для песчаных грунтов мощность талой зоны может составлять несколько миллиметров, глинистые грунты могут образовывать талый слой до 5 см и отделяться от вертикальной стенки в результате действия процессов размокания [48, 50].
По описанной технологии в Якутии на Мастахском ГКМ для хранения газового конденсата в 1982-1984 гг. в песчаных отложениях создан резервуарный парк из трех подземных резервуаров общим объемом около 10000 м3. В настоящее время два из трех резервуаров используются по назначению. В 2008 г на территории Бованенковского НГКМ вблизи КОС базы бурения по описанной технологии в мерзлых песках был размыт подземный резервуар объемом около 4800 м3 с целью отработки технологии строительства. В 2009 г. данный резервуар заполнен отходами бурения, после чего его обсадная колонна была ликвидирована.
Еще одним направлением развитием технологии строительства скважинных подземных резервуаров является способ подземного плавления пластового льда без выноса на поверхность дисперсных грунтов (ссылка на Скосареву). Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых песчаных породах имеет ограничение, связанное с сезонностью строительства. Подъем гидросмеси песка на поверхность и его обезвоживание на открытой карте намыва, делает невозможным ведение работ при низких отрицательных температурах из-за замерзания оборотной воды. Специалистами ООО «Подземгазпром» разработана технология строительства подземных резервуаров в отложениях подземных льдов с применением метода оттаивания пластовых льдов через скважины, позволяющая вести строительство круглогодично. Основное преимущество технологии строительства подземных резервуаров во льдах по сравнению с песками заключается в возможности строительства в зимний период и использование более простого оборудование (парогенераторная установка для производства и подачи теплоносителя и оборудование для откачки воды) [1].
Результаты исследований и опытных работ по созданию резервуара в подземном льду через вертикальную скважину на Бованенковском НГКМ позволили определить основные технические решения и параметры для обустройства скважины на период создания резервуара в подземном льду. Технология строительства подземного резервуара в пластовом льду предусматривает бурение вертикальной скважины до подошвы пластового льда, монтаж в скважине колонны труб для подачи пара и отбора избыточной воды, образующейся в результате плавления льда и конденсации пара, управление формой подземной емкости, для обеспечения ее устойчивости.
Технологическая схема может быть реализована через скважину с созданием вертикальной выработки-емкости (рис.5). В технологии теплоносителем может являться как вода, так и водяной пар. Рис. 1.3 — Схема создания вертикального подземного резервуара в отложениях льда: 1 -погружной насос; 2 - выработка-емкость; 3 - направление движения холодной воды; 4 - вода; 5 -направление движения водяного пара (теплой воды); 6 - ледяной пласт; 7 - уровень раздела воздух-вода; 8 - воздух; 9 - песчаник; 10 - подвесная колонна для подачи пара; 11 - обсадная колонна; 12 - подвесная колонна для отбора воды; 13 - наземный резервуар воды; 14 -парогенератор
В мае 1995 г под руководством Л. В. Скосаревой на территории Бованенковского НГКМ была создана опытная полость объемом около 300 м3 путем плавления подземных льдов (Ссылка на Скосареву) [55]. Формирование устойчивой выработки велось путем подачи пара, откачек воды и изменения положения перфорированного наконечника паропровода по глубине скважины. Данная выработка планировалась для захоронения отработанных буровых шламов с последующей их консервацией в хранилище. Однако это решение даже после создания опытно-промышленного резервуара не было реализовано и в данный момент времени полость используется местным населением на Ямале как естественный холодильник для хранения продуктов питания.
В настоящий момент наиболее эффективной принята ступенчатая схема создания подземного резервуара методом водо-теплового разрушения мерзлых пород с последовательным подъемом уровня раздела вода-воздух снизу вверх для разработки песчаных грунтов и снижением уровня сверху вниз для строительства во льдах, что позволяет сформировать свод устойчивого равновесия в кровле выработок. По окончанию строительства производится обследование подземного резервуара для определения его фактических размеров, формы и герметичности. После обследования из резервуара откачивается вода и производится монтаж технологического оборудования, используемого при эксплуатации подземного резервуара.
-Ликвидированный подземный резервуар Затем обсадная колонна засыпается грунтом с выходом на земную поверхность репера, приваренного к обсадной колонне, с указанием данных о выработке. В многолетнемерзлых дисперсных породах подземные резервуары могут быть созданы объемом от 2000 до 10000 м3 и располагаться на кустовых площадках эксплуатационных скважин, местах хранения жидких углеводородов или едином полигоне.
Единичный объем подземных резервуаров принимается исходя из геологических условий строительства: мощности, глубины залегания и деформационно-прочностных характеристик многолетнемерзлых песчаных пород.
Особенностью мерзлых дисперсных пород как вмещающего пласта для строительства подземных резервуаров является их разрушение под действием теплового воздействия. Подача тепла вызывает снижение прочности мерзлых дисперсных грунтов в результате повышения температуры и дальнейшего их разрушения при оттаивании.
Создание подземных хранилищ в многолетнемерзлых породах накладывает на строителей ряд ограничений. Необходимо учитывать, что породы, содержащие лед, в длительном времени не являются абсолютно устойчивыми. Т.е. устойчивая подземная полость в мерзлых породах через некоторое время может потерять некоторую часть объема из-за конвергенции [9, 11, 18, 71]. Устойчивость кровли резервуара может нарушиться из-за изменения геометрии выработки, например, в результате оплывания стенок резервуара при отепляющим воздействии хранимых продуктов на контур выработки. В процессе строительства подземных хранилищ в мерзлых породах необходимо учитывать ряд факторов, влияющих как на скорость оттаивания стенок и безопасность строительства, так и на дальнейшую возможность эксплуатации при хранении различных продуктов.
Строительство подземных резервуаров возможно проводить в любых дисперсных мерзлых породах, однако предпочтительными являются мерзлые пески из-за их низкой сопротивляемости размыву, при этом в мерзлых породах с влажностью близкой к полному влагонасыщениею фильтрация хранимого продукта в массив практически исключена [39]. Однако, в глинистых породах строительство более энергозатратно и ведется с большими тепловыми потерями [10, 38, 48].
Исходные данные для математического моделирования процессов теплового воздействия от подземных резервуаров на мерзлый массив
Место расположения площадки строительства резервуара выбирается исходя из потребности хранения продуктов переработки газа или утилизации отходов. На выбор мест расположения площадки строительства существенное влияние оказывает наличие подведенных дорог и близость водоема, из которого можно производить водозабор на строительные и эксплуатационные нужды.
На территории Бованенковского НГКМ проведены подробные изыскания, позволяющие говорить о повсеместном распространении условий в той или иной степени отвечающим требованиям для создания подземных резервуаров.
Как сказано выше, расчетная область представляет собой часть геологического разреза, разбитого на элементарные блоки некоторого размера. Размер блоков может задаваться в зависимости от детальности изученности и изменчивости геологических условий, формы подземных резервуаров, размеров расчетной области и т.п. Каждый блок содержит информацию по теплофизическим свойствам: теплоемкости и теплопроводности грунтов в талом и мерзлом состоянии, скрытой теплоте фазовых переходов, температуре начала замерзания (таблица 2.2) и начальной температуре, соответствующей времени начала расчета.
Для каждой грани расчетной области задаются граничные условия. На боковых гранях из-за отсутствия источников тепла в грунтовом массиве и однородности геологического строения без тектонических нарушений на глубинах строительства подземных резервуаров устанавливаются условия второго рода с нулевым теплопотоком. На верхней грани - условия третьего рода, характеризующие теплообмен поверхности грунта с атмосферой с учетом термического сопротивления от растительности и снежного покрова. На нижней границе - условия второго рода, определяемые теплопотоком от цента Земли, характеризующиеся где, Ст - теплоемкость талых пород; См - теплоемкость мерзлых пород; Хт, -коэффициент теплопроводности талых пород; Хм_ коэффициент теплопроводности мерзлых пород; Q p - теплота фазовых переходов, т.н.з. - температура начала замерзания пород. Более подробные данные об участке строительства подземных резервуаров приведены в приложении А. Прежде чем приступать к решению поставленных в работе задач, необходимо опробовать описанный метод моделирования теплового взаимодействия подземных резервуаров с многолетнемерзлыми породами на решении уже известной задачи, а затем сопоставить решение, полученное указанным методом, с натурными данными и проверить сходимость результатов.
Сопоставление предложенного метода расчета теплового взаимодействия подземных выработок с вмещающим массивом можно проверить сходимостью естественных температур грунтового разреза, полученных в результате термокаротажа для условий Бованенковского НКГМ, с расчетными температурами, полученными в результате математического прогноза. Для этого была решена одномерная задача моделирования температурного поля в массиве при известных климатических условиях. В дальнейшем при исследовании взаимодействия подземных резервуаров с вмещающим массивом будет использоваться двухмерная модель, где расчетная область ограничена условиями третьего рода на земной поверхности, второго рода на стенках и второго рода на нижней границе разреза.
На основе решения одномерной задачи реализуется модель исходного состояния (до начала техногенного воздействия на участок работ по строительству. т.е. к окончанию проведения инженерных изысканий). Допускается, что значения параметров, характеризующих естественное состояние температурного поля, остаются неизменными, а само поле является регулярным (температуры пород в любой точке разреза на фиксированную дату каждого последующего года могут быть приняты равными друг другу). Данные инженерных изысканий, используются для задания в расчетах параметров теплового взаимодействия и проверки адекватности модели исходных данных. Модель распределения температурного поля в массиве пород на момент начала строительства, полученная по результатам ретроспективного прогнозного моделирования, используется в дальнейшем при перспективном прогнозном моделировании и задается в качестве начального температурного поля. Для определения адекватности ретроспективной прогнозной модели принимаются следующие критерии:
Расчет выполнялся с контролем соответствия получаемого результата всем вышеперечисленным критериям. При их несоблюдении проводилась корректировка начальных данных, и расчеты повторялись заново. Возможная корректировка параметров модели объясняется необходимостью «подгона» граничных условий под существующие натурные. По результатам бурения и термометрических наблюдений можно получить только дискретную информацию, характеризующую фактическое состояние теплового поля пород лишь в нескольких точках. Для моделирования теплового взаимодействия между подземными выработками и вмещающими грунтами необходимо описание состояния теплового поля по всей глубине геологического разреза или объему грунтового массива. Именно поэтому выполняется «прогон» модели исходных данных на достаточно большой временной интервал до момента времени начала строительства.
При изучении инженерно-геологических изысканий было выделено три типа температурных разрезов: соответствующих холодным условиям северных склонов на территории месторождения, теплых зон, расположенных в поймовых участках рек или на заболоченной территории и промежуточный, приуроченный к долинам рек, понижениям рельефа и склонам холмов. Наиболее распространенным типом разреза является промежуточный тип (более 65% территории Бованенковского НГКМ).
Расчет «начального» распределения температурного поля в разрезе велся исходя из допущения, что из года в год температуры воздуха в пределах одного месяца на участке Бованенковского НГКМ постоянны (значения температур воздуха указаны в таблице 2.1).
Расчет «начального» температурного поля в программе «Тепло» проводился при задании граничных условий второго рода с нулевым теплопотоком на боковых гранях расчетной области. Данное решение объясняется изотропностью массива и наличием оси симметрии вдоль технологической колонны подземных резервуаров на следующих циклах расчетов. Нижняя грань расчетной области характеризуется теплопотоком, описывающим геотермический градиент 2.6 С на 100 м массива [62]. На земной поверхности (верхней грани модели) задавались граничные условия третьего рода с среднемесячными температурами воздуха, указанными в таблице 2.1 и подбирались такие коэффициенты теплоотдачи, чтобы распределение температур соответствовало наблюдаемым на месторождении.
В результате «прогона» программы от 3000 до 7000 тысяч лет (в зависимости от типа температурного разреза) было получено распределение температур по разрезу для условий «суровой», «относительно холодной» и «теплой» среды на Бованенковском НГКМ. Где под «суровой» средой понимается возвышенные участки рельефа с малыми мощностями снега в зимний период и деградировавшей растительностью, склоны северной экспозиции и участки с искусственным препятствием для снегонакопления (рис. 2.6а).
Под «относительно холодной» средой понимаются ровные поверхности, склоны южной экспозиции с большими и средними мощностями снега в зимний период, умеренным растительным покровом и т.п. Данные прогнозного моделирования и натурных условий сопоставлены на рисунке 2.66.
Под «теплой» средой понимаются низменности, склоны южной экспозиции с малыми мощностям снега, ложбины стока, овраги со значительным снегонакоплением и т.п. Данные прогнозного моделирования и натурных условий сопоставлены на рисунке 2.6в.
Проведенные расчеты позволяют говорить о сходимости натурных и прогнозных распределений температур по разрезу в пределах 10%, что может свидетельствовать о возможности указанной постановки задачи и использоваться в дальнейшем для прогноза теплового взаимодействия мерзлого массива с подземными резервуарами.
Результат расчета влияния свойств массива грунтов на сохранность формы подземных резервуаров
Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния в окрестности подземной выработки, сооружаемой в мерзлых породах и сопоставление полученных результатов с основными критериями устойчивости, свидетельствуют об устойчивости рассматриваемой подземной выработки.
В результате проведенных расчетов по устойчивости выработок можно сделать следующие выводы: образовавшиеся в результате размыва мерзлых песчаных отложений полости являются устойчивыми при естественном температурном поле мерзлых пород около минус 5 С в течение года, т.е. времени, достаточного для заполнения их отходами бурения. при заполнении резервуаров отходами бурения создается дополнительное противодавление на стенки камер, что препятствует конвергенции и значительно увеличивает устойчивость подземных выработок, однако при этом необходим учет теплового воздействия от буровых отходов на вмещающий массив, что будет проделано в 4 главе настоящей работы.
Однако, описанный выше алгоритм расчета устойчивости будет верен только в том случае, если подземный резервуар не оказывает теплового влияния на вмещающий мерзлый массив как на стадии строительства, так и на стадии эксплуатации. Строительство подземных резервуаров в мерзлых породах через скважины не может не вызывать каких-либо изменений температурного режима вмещающего массива. Для приведенных выше двух резервуаров (в мерзлых песках и в отложениях льда) проведена оценка зоны теплового влияния на мерзлый массив при их строительстве. Исходные данные по теплофизическим свойствам мерзлых грунтов получены также в результате проведения инженерно-геологических изысканий и приведены в таблице 2.2.
Постановка задачи определения теплового воздействия на вмещающий массив при строительстве аналогична задаче, описанной в разделе 2.5, по строительству подземного резервуара на кустовой площадке №65. При этом были получены зоны пластичномерзлого состояния для вмещающих песков и определены размеры зоны с температурой выше минус 0,5 С для резервуара во льдах (рис. 3.15). зоны пластичномерзлого состояния, полученные после окончания строительства подземных резервуаров (слева - для резервуара объемом около 2000 м3 во льдах; справа - для резервуара объемом около 2500 м в мерзлых песках).
Аналогично расчетным схемам, представленным на рисунке 3.11 и 3.13, проведен расчет устойчивости подземных резервуаров с учетом зоны теплового воздействия на мерзлый массив на момент окончания строительства подземных резервуаров. В результате расчетов получены значения напряжений, скоростей деформаций и скоростей перемещений в заданных точках окрестности подземной выработки, определены перемещения всех приконтурных точек за три года.
Согласно данным Цытовича Н.А. или Вялова С.С. [18, 71] в зоне пластичномерзлого состояния можно принять следующие прочностные и деформационные свойства (таблица 3.4). Таблица 3.4
Максимальное развитие области растягивающих напряжений вглубь массива (К) не превышает допустимое значение в окрестности контура выработки (таблица 3.5). Для выработки с начальным объемом V0 около 2000 м3, конвергенция за первый год AV/Vo прогнозируется 10,1% (таблица 3.5), что также согласуется с критериями устойчивости.
Области растягивающих напряжений в окрестности подземной выработки объемом 3500 м3; б) Распределение напряжений в окрестности подземной выработки объемом 3500 м3 В результате расчетов получены значения напряжений, скоростей деформаций и скоростей перемещений в заданных точках окрестности подземной выработки, определены перемещения всех приконтурных точек за три года.
Анализ расчетов показал, что для резервуара в мерзлых песках области запредельного деформирования вблизи контура хоть и не охватывают весь контур, но существенно увеличены по сравнению с предыдущим расчетом (рисунок 3.17а, 3.176).
По результатам расчета значение максимального перемещения кровли выработки может составить 0,290 м, что несколько больше допустимого значения, определяемого критериями устойчивости, 0,263 м.
Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния в окрестности подземной выработки объемом 3500 м3, сооружаемой в мерзлых песках и сопоставление полученных результатов с основными критериями устойчивости, свидетельствуют о возможном нарушении устойчивости рассматриваемой подземной выработки даже на стадии строительства. В результате проведенных расчетов по устойчивости выработок можно сделать следующие выводы: при строительстве подземных резервуаров для захоронения отходов бурения тепловое воздействие на мерзлые грунты вблизи обсадной колонны минимально: грунты не выходят из твердомерзлого состояния. Мерзлые суглинки после прекращения строительства резервуара в песках восстанавливаются до твердомерзлого состояния в течение 51 дня; во льдах - после 12 дней. при создании подземных резервуаров методом размыва мерзлых песчаных отложений через скважину тепловое воздействие на вмещающие грунты незначительно. Размер зоны, в которой грунты обладают пластично-мерзлыми свойствами, не превышает 15 см. расчет устойчивости подземных резервуаров без учета теплового воздействия на вмещающий массив в процессе сооружения выработок показал выполняемость критериев устойчивости на всем этапе строительства. учет теплового воздействия на мерзлый массив, влекущего за собой изменение физико-механических свойств мерзлых грунтов, выявил ухудшение устойчивого состояния подземных резервуаров; при этом для резервуара в отложениях пластовых льдов по прежнему выполняются критерии устойчивости, а для резервуара в мерзлых песках максимальное перемещение кровли выходит за рамки критериев устойчивости.
Исследование температурного режима мерзлого массива при захоронении отходов бурения в подземных резервуарах
При расчете экономических показателей эффективности строительства подземных резервуаров учитывалась общая стоимость захоронения буровых отходов в подземных резервуарах на Бованенковском НГКМ. Для определения общих затрат были рассмотрены следующие основные технологии: захоронение твердых отходов в наземных полигонах; захоронение жидких отходов после их очистки при закачке в поглощающую скважину; обезвоживание жидких отходов на газофакельной установке; захоронение твердых и жидких отходов после их механической подготовки закачкой в глубокие скважины с гидроразрывом пласта-коллектора; захоронение жидких и твердых отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах на глубине 20-100 м от поверхности.
По воздействию на экологию региона наименее благоприятными являются варианты захоронения твердой фазы буровых отходов в наземных полигонах и термического обезвоживания жидких отходов на газофакельной установке, так как имеет место длительное взаимодействие отходов 4 класса опасности с земной поверхностью, поверхностными водами и воздухом. Закачка в глубокие скважины жидких отходов или твердых и жидких отходов с использованием гидроразрыва пласта приводит к загрязнению подземных вод и нарушению гидрогеологической обстановки, так как, кроме изменения фильтационных свойств подземного коллектора, не исключает миграции опасных реагентов, находящихся в подвижном состоянии. Способ захоронения твердых и жидких отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах, с учетом непроницаемости мерзлых пород обеспечивает наибольшую изоляцию отходов от окружающей природной среды. Кроме этого, температура замерзания буровых отходов составляет около минус 1,5 С, что, при температуре вмещающих многолетнемерзлых пород около минус 4 - минус 5 С, будет приводить к постепенному переходу жидких отходов бурения в твердомерзлое состояние. Таким образом, с точки зрения обеспечения экологической безопасности, вариант захоронения отходов бурения в подземные резервуары, создаваемых в многолетнемерзлых породах, является наиболее предпочтительным.
Для сравнения экономических затрат были рассчитаны варианты по следующим технологическим схемам (рис. 5.1):
Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он захоранивается; б) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в цех на установку утилизации и далее закачивается в поглощающие скважины. В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его разравнивания в специально обустроенных картах, также стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость поглощающей скважины и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку буровых отходов и продуктов утилизации.
Буровой шлам от буровой установки вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он отверждается; б) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в цех на установку утилизации, далее закачивается в поглощающие скважины.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона (меньшего размера, чем в варианте 1.1) и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его перемещения. Там же на полигоне ставится установка отверждения шлама (в отапливаемом помещении) с целью его дальнейшего использования на отсыпку площадок и дорог.
Кроме того, учтена стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость поглощающей скважины и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку буровых отходов и продуктов утилизации.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его разравнивания в специально обустроенных картах, также стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, газофакельная установка и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку отходов бурения и продуктов утилизации.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона (меньшего размера, чем в варианте 1.1) и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его перемещения. Там же на полигоне ставится установка отверждения шлама (в отапливаемом помещении) с целью его дальнейшего использования на отсыпку площадок и дорог. Кроме того, учтена стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость газофакельной установки и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку отходов и продуктов утилизации.
В капитальные затраты включена стоимость бурения скважин до 100м глубины, монтаж, оборудование и техника для строительства и стоимость их эксплуатации, стоимость контейнеров для сбора шлама на кустовых площадках и стоимость инженерного обеспечения.
Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захоранивается на централизованном полигоне подземного захоронения отходов бурения.
В капитальные затраты включена стоимость бурения скважин до 100м глубины, монтаж, оборудование и техника для строительства и стоимость их эксплуатации, стоимость контейнеров для сбора шлама на кустовых площадках и стоимость инженерного обеспечения.
Технология совместной закачки отходов бурения в глубокие горизонты под давлением методом гидроразрыва пласта. Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захораниваются на иентрализованном полигоне подземного захоронения отходов бурения.
В капитальные затраты включена стоимость отапливаемого помещения для размещения установки по закачке отходов под давлением, стоимость резервуаров для приема бурового шлама и жидких отходов бурения, стоимость поглощающей скважины, автомобилей для доставки отходов бурения от кустовых площадок до установки закачки, техники для перегрузки отходов из контейнеров на установку закачки, подстанции водозаборной для технологических нужд.
