автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.15, диссертация на тему:Оценка инженерно-геологических характеристик каменной соли в окрестностях подземных резервуаров для газонефтепродуктов

На правах рукописи УДК 553.632: 622.692.2

БОЧКАРЕВА Раиса Владимировна

Оценка инженерно-геологических характеристик каменной соли в окрестностях подземных резервуаров для газонефтепродуктов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Специальность 05.15.15 - «Рудничная геология»

Научный руководитель д.т.н. Шафаренко Е.М.

' у

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение..........................................................................................................................................................................................4

1. Инженерно-геологические условия создания подземных хранилищ

в каменной соли.................................................................................. 8

1.1. Инженерные особенности резервуаров в каменной соли как подземных сооружений................................................................. 8

1.2. Инженерно-геологические характеристики каменной соли...... 11

2. Постановка задач, выбор объектов и методика исследований........ 31

2.1. Постановка задач исследования................................................. 31

2.2. Объекты исследования................................................................. 40

2.3. Методика экспериментальных исследований............................. 57

3. Исследование открытого порового пространства и экранирующей способности каменной соли в процессе деформирования....... 66

3.1. Исследования структуры порового пространства до и после приложения нагрузки................................................................... 66

3.2. Исследование зависимости приращения открытой пористости

от деформационных характеристик........................................... 74

3.3. Исследование зависимости проницаемости от деформационных характеристик.............................................................................. 86

3.4. Исследование экранирующей способности в зависимости от проницаемости............................................................................. 100

4. Анализ развития зоны повышенной пористости в окрестности резервуара в каменной соли и ее насыщение рассолом и продуктами хранения................................................................................... 114

4.1. Анализ развития зоны повышенной пористости в зависимости

от глубины заложения резервуара.............................................. 114

4.2. Распространение рассола и продуктов хранения в зоне повышенной пористости............................................................................. 127

Заключение............................................................................................. 137

Список использованных источников................................................... 140

Приложения........................................................................................... 151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Хранение газонефтепродуктов в подземных резервуарах, сооружаемых в отложениях каменной соли, получило распространение с начала 50-х годов XX века. В России и за рубежом подземные резервуары применяются для хранения природного газа, гелия, пропана, бутана, этилена, сырой нефти и нефтепродуктов.

За последнее 40-летие в России и других странах СНГ построено около 100 подземных резервуаров в каменной соли общей вместимостью около 7 млн. м3, что составляет 3% от вместимости общемирового подземного резервуарного парка.

В России существует значительный дефицит в части резервуарной емкости для обеспечения надежности газотранспортных систем, создания стратегических резервов нефти и нефтепродуктов, товарно-сырьевых запасов нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. В настоящее время разрабатываются и реализуются отраслевые концепции и программы строительства подземных резервуаров в каменной соли. Для реализации этих программ геологические условия территории России представляют, практически, неограниченные возможности, благодаря обилию соленосных бассейнов и площадей, перспективных для строительства подземных хранилищ.

Анализ потребности в хранилищах газонефтепродуктов показывает, что на перспективу потребуется сооружение подземной резервуарной

о

емкости объемом около 60 млн. м /66/.

Развитие техники и технологии подземного хранения расширяют область применения подземных резервуаров. Осваиваются большие глубины заложения подземных резервуаров - 1000 - 1500 м, что требует разработки надежных методов расчета устойчивости выработок и прогнозирования

срока службы резервуаров в связи с интенсивной конвергенцией (уменьшение объема за счет ползучести каменной соли).

К настоящему времени срок службы существующих резервуаров насчитывает несколько десятилетий. За этот период существенно изменилась конъюнктура рынка углеводородов, что вызвало необходимость конверсии ряда подземных хранилищ (т.е. перевода на другой хранимый продукт), консервации или ликвидации некоторых подземных резервуаров, повысились экологические требования к охране окружающей среды.

Для решения проблем, связанных с техногенным воздействием подземных резервуаров на недра, возникла необходимость исследований, связанных с изучением изменения инженерно-геологических характеристик каменной соли в результате перераспределения напряжений в окрестности выработки подземного резервуара. В первую очередь это относится к изменению порово-трещинного пространства каменной соли и его проницаемости, поскольку именно по этому показателю оценивается герметичность подземного резервуара.

Цель работы - установление закономерностей изменения инженерно-геологических характеристик каменной соли в результате ее деформирования в окрестностях выработок подземных резервуаров для оценки размеров области загрязнения породного массива хранимым продуктом.

Идея работы состоит в использовании деформационных характеристик, принятых в геомеханической модели расчета устойчивости выработки подземного резервуара, для оценки изменений, происходящих в открытом порово-трещинном пространстве каменной соли.

Научные положения, разработанные лично диссертантом и их новизна:

1. Установлено, что приращение открытой пористости каменной соли под нагрузкой обусловлено объемными и сдвиговыми деформациями, при

при этом присоединение закрытых пор к открытым и образование новых открытых пор возможно после достижения некоторой предельной величины сдвиговых деформаций.

2. Установлено, что каменная соль утрачивает экранирующую способность и становится проницаемой для газонефтепродуктов после достижения некоторой предельной величины объемных деформаций.

3. Установлено, что проникновение хранимого продукта в зону повышенной пористости происходит в ограниченной области вблизи контура выработки и зависит от меняющегося по высоте выработки перепада давления между рассолом и продуктом хранения.

Обоснованность и достоверность научных положений, расчетов и выводов подтверждается:

• значительным объемом исследований структуры порового пространства (90 шлифов и аншлифов);

• большим количеством лабораторных исследований деформационных характеристик, экранирующих и коллекторских свойств образцов каменной соли различных литологических разновидностей четырех соляных месторождений (450 опытов);

• удовлетворительными результатами проверки статистических гипотез о наличии связи между приращением пористости и проницаемостью с деформационными характеристиками каменной соли;

• теоретическим анализом процессов, приводящих к изменениям в структуре порово-трещинного пространства каменной соли в процессе деформирования.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей изменения открытой пористости и проницаемости каменной соли при деформировании, позволяющих оценить масштабы загрязнения породного массива хранимым продуктом.

Практическое значение работы состоит в прогнозировании размеров зоны повышенной пористости и области повышенной

проницаемости, безопасных для устойчивости и герметичности подземных резервуаров, на стадии горно-геологического обоснования строительства подземного хранилища.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы реализованы в СНиП 34-02-99 и СП 34-106-98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на Всесоюзной конференции «Технология строительства и эксплуатации подземных хранилищ нефти, газа и продуктов их переработки», Москва, 1991; на научных симпозиумах «Неделя горняка» в 1998 и 1999 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 84 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 110 наименований, пять приложений.

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ

1.1. Инженерные особенности резервуаров в каменной соли как подземных сооружений

Интенсивное развитие хранения углеводородов в подземных резервуарах объясняется его преимуществами перед хранением в наземных парках из стальных резервуаров /29,44/:

• экономической эффективностью, начиная с объема 20-30 тыс. м3;

• меньшей площадью отчуждаемых земель;

• экологической безопасностью;

• меньшей пожароопасностью.

Наземных аналогов для хранения природного газа вообще не существует.

Подземные выработки хранилищ являются капитальными сооружениями, рассчитанными на длительную эксплуатацию.

При этом, массив каменной соли, в котором сооружаются выработки резервуаров, проявляет реологические свойства, т.е. способность пластического течения под действием горного давления. Поэтому выработка должна иметь размеры и форму, обеспечивающие устойчивость в условиях большого горного давления, а внутреннее давление продукта в резервуаре должно предотвращать интенсивное заплывание выработки (конвергенцию).

Отечественные резервуары заложены на глубинах (по кровле) от 400 до 1350 м /66/. Наибольшая известная глубина заложения выработки подземного резервуара составляет 1850 м (США).

Как правило, выработки резервуаров имеют цилиндрическую форму с закуполенной потолочиной и конусообразным днищем. Высота выработок резервуаров достигает 600 м /96/, а максимальные пролеты - от 40 до 100 м.

Создание в отложениях каменной соли выработок заданной конфигурации возможно путем управляемого растворения через буровые

скважины при помощи жидкого (как правило углеводородного состава) или газообразного «нерастворителя», предохраняющего каменную соль от произвольного растворения /15, 29, 32, 57/.

Наиболее распространенным методом строительства выработок в каменной соли является метод растворения отступающими ступенями «снизу - вверх».

Скважина оборудуется тремя колоннами труб: обсадная и две эксплуатационных (рабочих). «Нерастворитель» подают в межтрубное пространство между обсадной и рабочей колоннами, воду нагнетают по межтрубному пространству рабочих колонн, а рассол вытесняется на поверхность по внутренней колонне труб.

В нижней части соляного пласта создается гидровруб - первоначальная выработка большого диаметра и сравнительно малой высоты, высота регулируется закачкой «нерастворителя».

После образования первоначального гидровруба отработка соляной залежи идет ступенями снизу вверх, причем размыв производится в выбранном интервале ступени. Площадь ступени принимается в зависимости от проектной формы и размеров выработки, а высота ступени - как правило, в зависимости от наличия и характера распределения нерастворимых включений в массиве соли, в пределах от 4 до 20 м.

Строительный рассол (насыщенный раствор №С1), образующийся в результате растворения соли, утилизируется на солепотребляющих предприятиях или закачивается в глубокие поглощающие горизонты /33/.

Принципиальная схема сооружения подземных резервуаров показана на рис. 1.1.

В процессе подготовки подземного резервуара к эксплуатации производится удаление «нерастворителя» замещением насыщенным рассолом.

Принципиальная схема сооружения подземного хранилища газа в каменной соли: 1,2- варианты водозабора соответственно - из поверхностных источников, из подземных источников; 3 - насосная станция для перекачки воды; 4 - трубопровод технической воды; 5 - рассолопровод; 6 - узел подготовки рассола к транспорту; 7 - нассосная станция для перекачки рассола; 8,9- варианты удаления рассопа соответственно - сброс в нагнетапьные скважины, передача на сопепотребпяющее предприятие, 10 - узел подачи и отбора нерастворителя; 11 - насосная станция для перекачки нерастворителя;

12 - трубопровод нерастворителя; 13 - подземные резервуары.

Эксплуатация подземного резервуара для жидких углеводородов осуществляется по рассольной схеме. Заполнение выработки осуществляется путем вытеснения продуктом хранения насыщенного рассола в наземное рассолохранилище, объем которого равен суммарному объему подземных резервуаров. Выдача продукта производится в обратном порядке: путем его вытеснения насыщенным рассолом. Таким образом, эксплуатация резервуаров для жидких углеводородов осуществляется, практически, при постоянном давлении, близком к величине давления столба рассола на глубине заложения выработки. Принципиальная схема эксплуатации таких хранилищ приведена на рис. 1.2.

При вводе в эксплуатацию газохранилищ, в процессе первоначального заполнения газом, насыщенный рассол вытесняется из резервуара и удаляется с площадки хранилища. Далее эксплуатация осуществляется при переменном давлении путем подкачки и выпуска газа. При выдаче газа давление снижается до некоторого буферного давления, определяемого геомеханическим расчетом по условию устойчивости выработки.

Одной из инженерных особенностей подземных резервуаров в каменной соли является размещение подземных выработок большого объема в породном массиве, проявляющем реологические свойства. При этом для уменьшения скорости конвергенции выработок до практически приемлемых значений в них поддерживается расчетное давление продукта.

Другой инженерной особенностью является физико-химическое взаимодействие воды, рассола различной концентрации, жидких и газообразных углеводородов с каменной солью на контуре подземной выработки.

1.2. Инженерно-геологические характеристики каменной соли

Географическое размещение и перспективы строительства подземных хранилищ прежде всего определяются наличием залежей каменной соли.

- рассол

■ дизельное топливо

■ бензин

■ дизельное топливо или бензин

Принципиальная технологическая схема подземного хранилища нефтепродуктов

1 - подземный резервуар; 2 - скважина; 3 - рассолохранилище; 4 - насос для рассола; 5 - буферный резервуар для дизельного топлива; 6, 7, - насосы соответственно высокого и низкого давления; 8 - буферный резервуар для бензина.

к>

В странах СНГ подземные хранилища созданы на территориях России, Украины, Белоруссии и Армении. В России известно всего 15 соленосных бассейнов и площадей, 9 из которых расположены в Европейской части и 6 в Азиатской, на Украине имеется три соленосных бассейна, в Белоруссии и Армении по одному (рис. 1.3). Бассейны различаются возрастом, площадными размерами, глубиной залегания, мощностью и морфологией соляных тел /31/. Основные усредненные характеристики соленосных бассейнов приведены в табл. 1.1 /66, 107/.

Подземные резервуары сооружаются в залежах каменной соли всех морфологических типов (пластах, линзах, куполах, штоках и пр.).

Построенные и эксплуатирующиеся резервуары России дислоцированы в бассейнах Волго-Уральском, Прикаспийском и Иркутского амфитеатра. В других странах СНГ резервуары построены на территории Припятского, Днепрово-Донецкого, Закарпатского и Ереванского соленосных бассейнов /66/.

Таблица 1.1

Характеристика соленосных бассейнов и площадей на территории России, Украины, Белоруссии и Армении

Глубина Мощ- Преобла-

залегания ность дающая

№№ Бассейны и Возраст кровли каменной морфоло-

п/п площади каменной соли, м гия соля-

соли, м ного тела

1 2 3 4 5 6

Россия

1 Калининградский Р2 800- 1100 20-175 пласт

2 Подмосковный о2 700-1100 5-60 пласт

3 Двинско-Сухонский Р1 250 - 700 2-10 пласт

4 Сереговский купол Б? 230 - 600 более 800 купол

5 Печеро-Камский Р1 150- 800 60 - 400 пласт

6 Давыдовская Р1 до 500 ~ 10 пласт

7 Северо-Кавказский 350-900 30-100 пласт

8 Прикаспийский Р1 0-1000 60 - 1000 купол

¿оленосные бассейны л подземные хранилища <а территории России, Украины, Белоруссии и Армении

---

---/

юоленосные басейны

- - действующие

газопроводы

- проектируемые газопроводы

ПОДЗЕМНЫЕ ХРАНИЛИЩА

• „„„ эксплуатирующиеся и строющиеся ~ газа

о проектируемые

■ - жидких углеводородов эксплуатирующиеся

А>

/ Красноярск

о Новосибирск

продолжение табл. 1.1

1 2 3 4 5 6

Россия

9 Волго-Уральский Р2 140-550 5-80 пласт,

купол

10 Иркутского 275 - 1200 5-80 пласт

амфитеатра

11 Троицко- 170- 1200 5-70 пласт

Михайловский вал

12 Березовской 200- 1000 2-50 пласт

впадины

13 Кемпендяйской 0- 1200 > 1500 купол

впадины

14 Нордвик- 0-300 2000 шток

Хатангский

15 Тувинской впадины Ъ2 0-40 ~ 20 пласт

Белоруссия

16 Припятский В3 330-500 до 1000 пласт,

купол

Украина

17 Днепрово-Донецкой В3 200-400 до 1900 купо