Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор состояния вопроса консервации и ликвидации подземных хранилищ в каменной соли 8
1.1. Объект «Вега». Геология, тектоника, гидрогеология, состояние работ 8
1.1.1 Краткая геологическая характеристика 8
1.1.2 Тектоническое строение 14
1.1.3 Гидрогеологические условия 16
1.1.4 Геотермическая характеристика 18
1.1.5 Современное состояние объекта 19
1.2. Существующие способы захоронения радиоактивных отходов 22
1.3. Цель и постановка задач исследований 29
2 Физико-химическая геотехнология консервации и ликвидации емкостей, созданных в каменной соли 32
2.1 Исследования физико-механических свойств гелей при связывании больших объемов рассола 32
2.2 Исследования влияния природных факторов (температуры, давления) 47
2.3 Изоляция разрушенного затрубного пространства 51
2.4 Технология подачи гелеобразующих составов в емкость с помощью рассола и дизельного топлива 56
3. Технология ликвидации емкостей, созданных в каменной соли, цементированием 74
3.1 Анализ предлагаемого способа ликвидации подземных емкостей с помощью цементирования и выбор типа цемента 74
3.2 Исследования свойств отверждающих материалов на основе магнезиальных шламов 76
3.2 Технология транспортировки отверждающих материалов в выработку-емкость 84
4 Оценка технологических схем отверждения рассола в выработках-емкостях и рекомендации по их применению 91
4.1 Особенности технологических схем отверждения рассола в подземной емкости 91
4.2 Разработка рекомендаций по применению технологических схем заполнения емкостей и их экономическая оценка 96
Заключение 103
Список использованных источников 105
Приложения 111
- Краткая геологическая характеристика
- Исследования влияния природных факторов (температуры, давления)
- Исследования свойств отверждающих материалов на основе магнезиальных шламов
- Разработка рекомендаций по применению технологических схем заполнения емкостей и их экономическая оценка
Введение к работе
Актуальность работы. Подземные ядерные взрывы в нашей стране начали производить около тридцати пяти лет назад и продолжали осуществлять в последующие два десятилетия. За этот период на территории России было произведено 19 взрывов для опытно-промышленной отработки технологии создания подземных сооружений в отложениях каменной соли для хранения углеводородной продукции. Они были осуществлены на газоконденсатных месторождениях: Астраханском - 15 (Астраханская область), Оренбургском - 2 и Совхозном -1 (Оренбургская область), а также на объекте «Тавда» -1 (Тюменская область), в отложениях каменных солей в интервалах глубин от 160 до 1500 м. В настоящее время большинство сооружений заполнены радиоактивным рассолом и непригодны для промышленной эксплуатации. На устьях скважин фиксируется рост давления и выход рассола на поверхность земли, что, по мнению большинства исследователей, связано с конвергенцией, обрушением стенок и потолочины сооружений во времени.
В большинстве случаев необходимой изоляции сооружений, образованных в результате взрывов и заполнившихся в дальнейшем рассолом, не получилось. Наблюдения за поведением сооружений проводятся местными нефтяными, газовыми и угольными предприятиями по рабочим проектам, составленным ВНИПИпромтехнологии при согласовании и контроле органов Госатомнадзора России, Госгортехнадзора, Государственными комитетами по охране окружающей среды, Центрами Госсанэпиднадзора, а также Государственной экспертизой проектов МЧС России.
В пределах Астраханской области такие наблюдения проводились силами ООО «Астраханьгазпром», а с 1999 года - силами 000 «Подземгазпром».
В связи с тем что основная опасность загрязнения недр и поверхности происходит за счет поступления рассола по возникшим трещинам и негерметичностям затрубного пространства колонн эксплуатационных скважин, возникла проблема консервации и ликвидации сооружений, заполненных рассолом, и связанных с ними заколонных перетоков.
Как показал анализ проводимых в нашей стране работ по ликвидации водопритоков в эксплуатационных скважинах, межколонных скважинных перетоков флюидов, работ по увеличению нефте- и газоотдачи пластов, ни в одной публикации нет упоминаний о возможности консервации и ликвидации
сооружений больших объемов, созданных в каменной соли и заполненных рассолом.
На основании проведенного анализа патентного и литературного поиска можно выделить перспективные для этих целей направления:
использование магнезиальных шламов для связывания рассолов в твердое состояние;
использование нефелинового концентрата, обработанного серной кислотой для перевода рассолов в гелеобразное состояние.
Для оценки возможности перевода больших объемов радиоактивных рассолов в неподвижное состояние возникла необходимость исследований, связанных с разработкой технологии отверждения рассолов в подземных сооружениях, и изучения свойств отверждаемных растворов на основе магнезиальных шламов и нефелинового концентрата, которые обладают необходимой конечной прочностью, нужной вязкостью и долговечностью.
Таким образом, обоснование и разработка технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли являются актуальной научной задачей.
Цель работы - обоснование и разработка технологических параметров подготовки и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения надежной консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли.
Идея работы заключается в направленном регулировании соотношения компонентов, времени приготовления закладочных составов и способа их подачи в выработанное пространство для перевода находящегося в нем рассола в вязко-упругое или твердое состояние непосредственно в подземном сооружении.
Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:
1. Впервые установлены закономерности перевода радиоактивного рассола в вязко-упругий закладочный материал (вязкость 2200-3500 мПа-с, плотность 1,35 г/см3) в зависимости от соотношения компонентов в подаваемом составе на основе нефелинового концентрата, применение которого снижает затраты времени и средств для обеспечения заданной устойчивости подземного сооружения.
Установлены закономерности изменения динамической вязкости закладочного материала от соотношения компонентов в подаваемом составе, от времени (30-40 мин) и скорости (30-100 об/мин) их перемешивания при подготовке и скорости подачи состава в выработанное пространство подземного сооружения.
Впервые установлено, что применение магнезиального шлама с добавками 5-10% порошка магнезитового каустического позволяет в течение 5-6 суток перевести рассол в выработанном пространстве подземного сооружения в закладочный материал с оптимальными прочностными характеристиками (прочность при сжатии 1,0-1,5 МПа).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются представительным объемом экспериментальных данных (около 300 опытов), использованных в качестве основы для выявления зависимости прочностных характеристик закладочного материала от способа его приготовления и подачи; удовлетворительным совпадением прогнозируемых результатов определения физических свойств отвержденных масс с данными, полученными при использовании различных связывающих рассол компонентов (в том числе при повышенных давлении и температуре) (расхождение не превышает 10-15%); положительными результатами внедрения научных разработок в производство.
Научное значение работы заключается в установлении зависимости прочностных свойств закладочных материалов от технологических параметров их приготовления и подачи в ликвидируемое подземное сооружение.
Практическое значение работы заключается в модернизации способа закладки выработанного пространства подземных сооружений в каменной соли для условий объекта «Вега» Астраханского ГКМ.
Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена в проектах ликвидации подземных емкостей 2Т, 4Т, 5Т. 6Т и 12Т объекта «Вега» (Астраханская область).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка - 2002-2005», Ученом Совете ООО «Подземгазпром», заседании кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 117 наименований, 7 приложений.
Краткая геологическая характеристика
В геологическом строении осадочного чехла Астраханского свода принимают участие палеозойские, мезозойские и кайнозойские отложения, общей мощностью до 7-9 км . Пермские отложения залегают с размывом на поверхности башкирского горизонта и представлены нижним и верхним отделами. Нижний отдел сложен отложениями сакмарского, артинского и кунгурского ярусов. Нижние ярусы отдела не расчленяются и представлены глинисто-карбонатной толщей, состоящей из аргиллитов, известняков, доломитов, битуминизированных, с серицитом в основании толщи.
Кунгурский ярус представлен тремя литологическими пачками: нижней -сульфатно-терригенной, средней - галогенной и верхней - сульфатно-терригенной. Нижняя пачка, которую исследователи относят к филипповскому горизонту, сложена чередованием каменной соли с ангидритами, аргиллитами, алевролитами и песчаниками. Каменная соль средне- крупнозернистая, серая. Ангидриты серые, в основном псевдобрекчированные, в кровле слоистые за счет темных прослоев глинисто-карбонатного вещества. Аргиллиты серые, темно-серые, слабо алевритистые. Песчаники и алевролиты серые, темно-серые, тонкозернистые, полевошпатово-кварцевые, хорошо отсортированные. Цемент карбонатный, глинистый, ангидритовый. Тип цемента поровый и контактно-поровый. Мощность пачки 50-200 м. 1-І - линия геологического разреза
Средняя пачка сложена каменной солью, с подчиненными включениями и линзами ангидритов, алевролитов, песчаников, с единичными линзами терригенных осадков. Наиболее изученными являются галогенные отложения центральной и юго-западной частей Сеитовского соляного купола. Купол выделен по сейсмическим исследованиям и изучен многочисленными скважинами.
На Сеитовском соляном куполе соленосные отложения средней пачки кунгурского яруса полностью не вскрыты. Стратиграфические отбивки кровли кунгурских отложений и глубина вскрытия каменной соли приведены в таблице 1.1. Наиболее высокое гипсометрическое положение каменной соли зафиксировано скважиной 2т - 706 м в центральной части поднятия и в скважине 2А - 597 м в юго-западной.
Каменная соль средней пачки среднезернистой, реже крупно- и мелкозернистой структуры, серая, массивная, брекчиевая, местами флюидальной текстуры, участками с неясно выраженной слоистостью, с редкими обломками ангидрита округлой и изометрической формы (до 5%) размером до 15 см. Верхняя пачка кургурского яруса (зона кепрока) сложена ангидритами с подчиненными прослоями глин, алевролитов и каменной соли. Мощность зоны кепрока обычно не превышает 100 м. Нижнепермские отложения с размывом и угловым несогласием перекрываются неогеновыми, неоген-четвертичными и четвертичными отложениями. Неогеновые отложения представлены акчагыльским, а неоген-четвертичные - апшеронским ярусами. Акчагыльский ярус представлен глинами плотными, тонкослоистыми, карбонатными, в толще которых спорадически развиты прослои и линзы тонко- и мелкозернистых, глинистых песков и алевролитов. Он вскрыт всеми скважинами. Мощность до 170 м. Апшеронский ярус представлен глинами алевритистыми, слюдистыми и песками кварцевыми, средне- и мелкозернистыми с обильным скоплением микрофауны. В разрезах всех скважин четко коррелируются до 7 песчаных пластов, характерной особенностью которых является изменчивость их по мощности и глубине залегания. Средняя мощность апшеронского яруса составляет 420 м. Четвертичные отложения представлены толщей пород бакинского, хазарского и хвалынского ярусов.
Отложения бакинского яруса представлены глинами с прослоями мелкозернистых песков, имеющих повсеместное распространение. Песчаный пласт бакинского яруса является репером для определения кровли апшеронского яруса. Пласт в основном водонапорный. На отдельных приподнятых участках этого пласта были получены выбросы газа.
Хвалынско-хазарские отложения представлены песками, суглинками и супесями с прослоями песка, а также глины. Четко коррелируется песчаный пласт, расположенный в верхней части разреза в пределах глубин 30-60 м. Песок мелкозернистый, кварцевый. Глина вязкая, жирная. Суглинок с примесью мелкой гальки и щебня до 20%. Средняя мощность четвертичных отложений 160-170 м. 1.1.2 Тектоническое строение Сеитовское соляное поднятие (гряда) в тектоническом отношении приурочено к центральной части Астраханского свода в непосредственной близости от зоны сочленения Восточно-Европейской и Скифско-Туранской платформ. По данным сейсморазведки методом ОГТ в центральной части свода фундамент выделен на глубине 6,8-7,0 км, эпизодически - на 8,0-8,5 км. Подсолевой комплекс залегает на глубине 3,9-4,2 км. Мощность палеозойских отложений свода - 4,7 км. По кровле фундамента свод является асимметричной структурой субширотного простирания, по изогипсе минус 7000 м имеет размер 250x140 км с амплитудой 3000 м, углами падения на крыльях 2-9. Вверх по разрезу размеры свода резко сокращаются: по изогипсе минус 4200 м (по среднему карбону) 150x80 км.
Газоконденсатная залежь, по данным бурения, приурочена к известнякам башкирского яруса, обладающим невысокой пористостью (Кпор = 8-12%) и проницаемостью, расположена в брахиантиклинальной структуре, осложняющей свод, размером 140x45 км по изогипсе минус 4200 м, с амплитудой 350 м.
Структурный план соленосного комплекса представлен соляными грядами, куполами и межкупольными мульдами. Граница развития соляной тектоники проходит 30 км южнее Сеитовской гряды. Глубина залегания и мощность соленосных отложений определяется соляной тектоникой. Кровля соли в центральной части Астраханского свода залегает на глубинах 700-900 м, мощность до 3200 м. В южных депрессиях соль почти полностью выжата, и нижние серии надсолевого комплекса местами налегают непосредственно на подсолевое ложе. В общем плане Астраханский свод фиксируется сокращением мощности надсолевых отложений.
Исследования влияния природных факторов (температуры, давления)
Увеличение температуры в зоне гелеобразования с одной стороны сокращает время образования геля за счет увеличения скорости химических реакций. При проведении процесса при 8С время гелеобразования возросло до 15 суток против 4-6 суток при 18С и 1,5-2 при 50С. Эти данные соответствуют общим кинетическим и физико-химическим закономерностям влияния температуры на скорость физико-химических процессов [35]. Однако, с другой стороны, при этом снижается вязкость гелеобразного герметизирующего состава. Так, при гранулометрическом составе нефелина -0,1-0,2 мм, Скт =150 г/л, СНЕФ = 200 г/л динамическая вязкость готового геля при 70С составляет 1100 против 3500 мПа-с при 18 С (таблица 2.8). Наши данные подтверждаются также и литературными данными по гелеобразующим составам, применяемым для предотвращения притока пластовых рассолов в нефтедобывающие скважины [37, 88]. Поэтому, перед герметизацией необходим прогноз и выявление температурных условий по конкретному месту проведения работ. В нашем случае при отверждении рассола имеет место повышение температуры замкнутой системы на 25-30С, так как при гелеобразовании параллельно протекают реакции структурообразования и нейтрализации.
Для изучения совместного влияния повышенных температур и давлений на параметры гелеобразования были проведены исследования с использованием гидравлической установки трехосного не равнокомпонентного сжатия УДС 65/80 (рисунки 2.7 и 2.8) для долговременных испытаний образцов горных пород с максимальными размерами: диаметром - 65 мм, высотой -130 мм.
Установка состоит из четырех основных блоков: испытательной камеры, пульта управления, блока автоматики и блока измерительной аппаратуры. Испытательная камера соединена с пультом управления и блоком автоматики трубопроводами. с» 14 16 !I3 Время работы установки УДС 65/80 в автоматическом режиме может составлять 3-4 суток без присутствия людей, т.к. установка снабжена блоками защиты, отключающими электроэнергию от узлов установки при возможных неисправностях в работе, включая кратковременное внешнее отключение электроэнергии. Нагревательные элементы охватывают всю наружную боковую поверхность и дно камеры. Принцип работы установки УДС 65/80 заключается в следующем: подготовленный к испытанию образец помещается в рабочую полость испытательной камеры; рабочая полость испытательной камеры заполняется рабочей жидкостью от ресивера и производится проверка всех электрических цепей схемы (датчика температуры, измерителя поперечных деформаций, датчиков акустической эмиссии и ультразвука); регулятор температуры устанавливается на величину температуры, при которой будут проходить испытания, и включаются нагревательные элементы; при нагревании рабочая жидкость увеличивается в объеме, что может привести к нежелательному увеличению давления на образец до начала испытаний, поэтому нагрев производится при открытом вентиле, обеспечивающем сбрасывание излишков рабочей жидкости; через 20 - 24 часа после включения температурного узла производится контроль состояния всех элементов установки, снятие «нулевых» отсчетов регистрирующей аппаратуры, проверка работы температурного узла и корректировка его (в случае необходимости); через систему ресивер - трубопровод в рабочую полость испытательной камеры подается требуемое давление, после чего производится отсчет по регистрирующим приборам; сразу же (через 5 - 10 сек) после нагружения образца давлением производятся отсчеты по всем регистрирующим приборам; в процессе проведения испытаний возможна (при необходимости один раз в 3 -4 дня) корректировка и ручное управление режимом испытаний. В проведенных на установке опытах возникла необходимость поддерживать постоянное давление рабочей жидкости в испытательной камере без проведения бокового и торцевого обжима емкости с составом. Срок испытания на установке был принят 3 суток - предельный срок, в течение которого происходит отверждение рассола. Предварительно готовился гелеобразующий состав, который заливался в закрывающуюся емкость объемом 200 см3 доверху, чтобы исключить попадание в образец воздуха и масла в ходе проведения испытаний. Процесс образования геля проводился при повышенных температурах (от 30 до 80С) и давлениях (от 3 до 20 МПа). Определение условной «водоотдачи» гелей проводилось на приборе ВМ-6, по методике, принятой для буровых глинистых растворов [32], и динамическая вязкость [19], в течение 10 суток после созревания, чтобы на поверхности геля не происходил процесс высаливания.
По результатам лабораторных определений можно предположить, что в условиях ликвидируемой ПЕ-2Т (Т=50С, Р=14,0 МПа) гель будет созревать в течение 2-3 суток при общей рН системы 2,7-3,1 и иметь следующие параметры: водоотдача - 50-55 см3/30 мин, динамическая вязкость гелей 1700-1900 мПа-с.
Из отечественной практики и литературных источников известно, что затрубное пространство обсадных колонн является одним из слабых мест, по которому возможны миграция флюидов и утечки хранимых в подземном резервуаре продуктов. Существует достаточно много решений повышения изоляции затрубного пространства обсадных колонн при эксплуатации подземных хранилищ и при разработке нефтегазовых месторождений.
Выполненный нами анализ причин нарушений герметичности скважин подземных хранилищ показал, что утечки в скважинах происходят главным образом в результате наличия зазоров между цементным камнем и обсадной колонной, а также каналов и трещин в самом цементном камне. К причинам негерметичности затрубного пространства обсадных колонн при строительстве подземных резервуаров следует отнести отсутствие научно обоснованных рекомендаций по оптимальным составам тампонажных растворов и решений по защите скважин от электрохимической коррозии. Часто причиной плохой изоляции затрубья является некачественное выполнение тампонажных работ. Трещины в цементном камне образуются и при работе эксплуатационных скважин подземного хранилища, испытывающих большие перепады давлений.
В работе [68] были рекомендованы составы тампонажных растворов для изоляции затрубья, применяемые главным образом при капитальном ремонте эксплуатационных скважин подземных резервуаров. Эти составы были разработаны на основе тампонажного портландцемента, затворяемого на рассоле, с различными добавками.
В работах [3, 44] приводятся апробированные в различных регионах жидкости, полученные гель-технологией для крепления скважин. Это калийный раствор на основе гидрогеля магния, солегель карбонатный, гидрогель магния, битумно-эмульсионный гидрогель, гидрогель железа, солегель алюминия, гидрогель кальция, обращенный гидрогель магния, гидрогель цинка, солегель силикатный, гипсовый солегель, солегель сульфатно-бариевый, цементно-солегелевые растворы, пеносолегель, торфяной структурообразователь ( ТС ) и асбестосодержащие растворы.
В литературе имеются ссылки об использовании гелей для борьбы с поглощениями и водопроявлениями при бурении скважин; изоляции подошвенных минерализованных вод в нефтяных скважинах; гидроизоляции шламовых амбаров в фильтрующих грунтах (песках) [37,38,86].
Однако все эти растворы используются, главным образом, при строительстве в процессе бурения скважин, предотвращая осыпи и обвалы пород, препятствуя адсорбционному понижению твердости пород. Специальных исследований по возможности отверждения больших масс рассола и изоляции нарушенного затрубного пространства подобными составами не проводилось.
Исследования свойств отверждающих материалов на основе магнезиальных шламов
В лабораторных условиях нами проводились работы по исследованию свойств шлама карналлитовых хлораторов, оказавшегося весьма перспективным материалом для связывания больших объемов рассола при ликвидации емкости. Использование данного вида шлама в виде вяжущего материала позволяет решать экологическую проблему по утилизации отходов магниевого производства и значительно удешевить процесс цементации (закладки) емкостей при их ликвидации. По аналогии с магнезиальными вяжущими (Порошки магнезитовые каустические. ГОСТ 1216-94) можно прогнозировать устойчивость и долговечность шламового материала.
Шлам карналлитовых хлораторов является отходом магниевого производства Соликамского завода, выпускается в соответствии с ТУ 0798-005-00545484-99, предназначен для применения в качестве флюсов в алюминиевой промышленности и добавки при производстве цементов. В составе шлама содержатся оксид магния, хлориды магния, натрия, калия и механические примеси. Проведенные нами лабораторные исследования [72] показали, что шлам карналлитовых хлораторов способен связывать и отверждать большие объемы рассола при ж/т 2,2-2,4 с образованием камневидного материала. Материал в чистом виде твердеет медленно и камневидное состояние приобретает через 7-10 суток, что играет существенную положительную роль при проведении закачки шламового раствора через скважину в емкость.
Твердение шламового раствора может происходить в больших объемах рассола. При затворении шлама концентрированным рассолом NaCI получается облегченный раствор плотностью 1,39 г/см3, способный равномерно и плавно растекаться по всей поверхности дна емкости, медленно осаждаться по всему объему рассола и проникать в различные трещины.
Для повышения механической прочности шламового камня, а главное, для ускорения сроков твердения камня и возможности их регулирования рассматривались варианты по введению в шлам добавок в виде порошка магнезитового каустического (ПМК) в размере 5, 10% .
Проведенные нами исследования реологических и физико-механических свойств материалов на основе шлама и шлама с добавками 5 и 10% ПМК показали, что при ж/т 2,2 сроки схватывания сократились до 6 и 5 суток соответственно. Прочность при сжатии шламового камня увеличилась до 1,2 и 1,5 МПа в возрасте 7 суток. При принятом ж/т 2,2 растекаемость по конусу АзНИИ составляет 260 мм, т.е. подвижность раствора очень велика, что имеет большое значение при прокачке такого раствора насосами.
На основании анализа полученных данных можно отметить, что в изолированных условиях прочность на сжатие (RC K) шламового камня возрастает при увеличении добавки ПМК. Так, при введении добавки 5% ПМК прочность при сжатии возросла за 6 месяцев от 4 до 5,8 МПа, при 10% ПМК соответственно от 5,5 до 8,1 МПа. В условиях твердения образцов в насыщенном рассоле прочность шламового камня становится несколько ниже. Это объясняется наличием пор в шламовом камне и большой площадью соприкосновения образцов-кубиков с большим объемом рассола и соответственно большей коррозионной поверхностью по сравнению с натурными условиями, где площадью контакта с рассолом является только верхний слой затвердевшего шламового раствора, который по истечении некоторого времени высаливается.
Проведенные нами исследования показали, что при взаимодействии шлама в чистом виде с дистиллированной водой образуется щелочная среда рН=9,25; при затворении его на насыщенном рассоле NaCI рН=8,26, показания рН несколько возрастают по мере гидратации оксида магния. Результаты определения рН шламовых материалов представлены в таблице 3.2.
С целью повышения прочности шламового камня были опробованы составы на основе шлама с увеличенной до 25% добавкой ПМК. Соответственно такое увеличение добавки ПМК до 25% в составе шлама позволит увеличить прочность шламового камня, сократить сроки отверждения рассола, повысить плотность камня и снизить коррозионное воздействие рассола.
Для исследования были изготовлены образцы из смеси шлама 75% и 25% ПМК, затворенной на насыщенном рассоле NaCI (р=1,2 г/см3) при ж/т=1,1. При ж/т=1,1 подвижность шламового раствора составила порядка 200-210 мм, плотность раствора 1,5 г/см3 , т.е. отмечается незначительно утяжеление раствора. Результаты испытаний на прочность при изгибе и сжатии образцов в возрасте 2 суток приведены в таблице 3.3.
Представленные данные положительно характеризуют шламовые растворы с высоким ж/т, которые обладают лучшей растекаемостью и прокачиваемостью в емкость. Однако в этом случае увеличивается количество порций, затворяемых на поверхности при цементировании подземной емкости. Соответственно снижение ж/т может значительно повлиять на сроки схватывания и время загустевания шламовых растворов.
Изучение свойств шламового камня, образовавшегося при различных термобарических условиях, проводились нами с использованием установки УДС 65/80 (см. главу 2.2). Срок испытания на установке был принят 7 суток - предельный срок, в течение которого происходит отверждение рассола и образование шламового камня. Предусматривалось, что твердение шламового камня будет происходить, как при наличии избыточного рассола, так и без него.
Если при Т=20С для всех приведенных составов шламового раствора при контакте его с рассолом и без него в емкости при отверждении образовывался твердый камень, то, как показали испытания на установке на начальном этапе, шламовый раствор при затворении чистого шлама на рассоле при соотношениях ж/т=2,2 и ж/т=1,5 в условиях Т=50-70С и Р= 20,0 МПа через 7 суток не отверждался. При повышенных температурах, по-видимому, происходит разрушение на ранних сроках твердения (в возрасте 1-3 суток) уже сформировавшейся структуры шламового камня. Это разрушение связано с удалением высокогидратной кристаллизационной воды из структуры шламового камня (приложение 7).
Известно, что прочность создается благодаря наличию МдО в составе магнезиального цемента и образованию оксихлоридов. При этом при взаимодействии с водой образуется малопрочный камень, с рассолом NaCI -образование оксихлоридов не происходит. Шлам является условной матрицей, поглощающей рассол, входящие в нее компоненты МдО и соль МдСЬ являются активными в образовании оксихлоридов, но другие компоненты, такие как NaCI и KCI являются балластом. Учитывая, что количество МдО и МдСІ2 в составе шлама незначительно и гидратация происходит на рассоле NaCI, это в свою очередь сказывается на устойчивости оксихлоридов и прочности образующихся высокогидратных соединений в условиях повышенных температур и давлений.
Как показали исследования, обнадеживающие результаты были получены даже при незначительном введении в состав шлама, затворенного на рассоле при ж/т 2,2, ПМК (5-10%). Так, при Т=50С и твердении данного состава без контакта с рассолом в течение 7 суток было отмечено образование достаточно твердого материала (RM3r=0,7-0,8 МПа).
Разработка рекомендаций по применению технологических схем заполнения емкостей и их экономическая оценка
Лабораторные исследования по подаче (транспорту) и распределению отверждающих материалов в емкости проводились в направлениях: - подбор транспортного носителя, - распределение смесей по объему емкости. При применении в качестве транспортирующей жидкости рассола, отобранного из емкости, проблем с доставкой отверждающих материалов (цемент, шлам) в емкость не возникнет, т.к. при затворении материалов рассолом на поверхности все приготовленные смеси обладают хорошей регулируемой текучестью (при максимальном ж/т) и со временем образовывают устойчивую композицию.
Процесс подачи гелеобразующего состава при транспортировке его рассолом также может быть непрерывным и продолжаться до тех пор, пока на поверхность не будет выходить рассол с плотностью 1,35 г/см3 и рН 1,3. Эти величины будут определять, что в емкости созданы условия для получения устойчивого геля, образующегося через 3 суток. Положительным моментом данного способа подачи гелеобразующего состава является возможность работы на объекте без предварительного измерения объема ликвидируемой емкости, что связано с определенными техническими трудностями [73].
С целью уменьшения количества поступающего на поверхность радиоактивного рассола из емкости, что является одним из основных требований к ликвидации объекта, предлагается использование для транспортировки серной кислоты и нефелина в емкость - дизельное топливо. В этом случае взаимодействие нефелина с серной кислотой будет происходить непосредственно в массе рассола. Дизельное топливо, вследствие меньшей, чем у рассола, плотности (0,85 против 1,20 г/мл) будет отделяться, всплывать в верхнюю часть емкости и через межтрубное пространство отбираться для повторного использования.
При порционной подаче нефелинового состава на дизельном топливе наблюдалось равномерное истечение смеси из трубки до дна емкости, распределение состава по всему объему рассола и образование через 3 суток густого гелеобразного вещества. При использовании дизтоплива в качестве транспортирующей жидкости для тампонажного портландцемента и магнезиального шлама возникают дополнительные проблемы, связанные с отбором из емкости дизтоплива и суспензии, образующейся при барботаже.
Для механизированного приготовления отверждающих составов рекомендуется применять цементосмесительные машины и агрегаты типа 2СМН-20 и УС6-30, а при работе с нефелиновым концентратом и серной кислотой -специальные кислотоустойчивые смесительные агрегаты. Для нагнетания приготовленных смесей в емкость рекомендуется использовать цементировочные агрегаты ЦА-320, которые благодаря наличию специального насоса с двигателем могут подавать жидкость в смесительное устройство для приготовления отверждающих смесей. При подаче в емкость отверждающей смеси на устье скважины устанавливают цементировочные головки, предназначенные для соединения нагнетательных линий агрегатов с внутритрубным пространством скважины.
Схемы связывания рассола в емкости с использованием портландцемента, шлама и физико-химической геотехнологии, показана на рисунках 4.1, 4.2.
Таким образом все способы ликвидации подземных емкостей имеют свои отличительные особенности, заключающиеся: в наличии дополнительной линии для сброса дизельного топлива, различных по назначению бункеров; и выбор для каждого конкретного случая может быть осуществлен с учетом экологической и экономической эффективности одного из предлагаемых способов.
Анализ приведенных в таблице сравнительных данных свидетельствует о том, что применение физико-химической геотехнологии (гель-технологии) является наиболее дешевым из рассматриваемых способом ликвидации емкости, с одновременным обеспечением герметичности затрубного пространства скважин. При проведении ликвидационных работ этим способом потребуется утилизация наименьшего количества выдаваемого на поверхность загрязненного рассола (8-10% объема ликвидируемой емкости). На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы: - для проведения работ по консервации и ликвидации емкостей, заполненных радиоактивным рассолом, рекомендуется применять: для механизированного приготовления отверждающих составов цементосмесительные машины и агрегаты типа 2СМН-20 и УС6-30; - при работе с нефелиновым концентратом и серной кислотой - специальные кислотоустойчивые смесительные агрегаты; - для нагнетания приготовленных смесей в емкость - цементировочные агрегаты ЦА-320; - на устье скважины необходимо устанавливать цементировочные головки, предназначенные для соединения нагнетательных линий агрегатов с внутритрубным пространством скважины.
Применение физико-химической геотехнологии является наиболее дешевым из рассматриваемых способом ликвидации емкости, с одновременным обеспечением герметичности затрубного пространства скважин. При проведении ликвидационных работ этим способом потребуется утилизация наименьшего количества выдаваемого на поверхность загрязненного рассола (8-10% объема ликвидируемой емкости).
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано решение актуальной задачи обоснования и разработки технологических параметров подготовки и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения надежной консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли.
