CC BY
52
© А.С. Хрулев, М.А. Перфильева, Д.В. Шергин, 2011
УДК 622.227:622.232.5
А.С. Хрулев, М.А. Перфильева, Д.В. Шергин
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ЧАСТИЦ В СКВАЖИННОМ ПОДЗЕМНОМ РЕЗЕРВУАРЕ
Изложены результаты исследований по осаждению и подъему талых пород при строительстве подземных резервуаров в многолетнемерзлых песках и суглинках, позволяющие существенно сократить расход оборотной воды.
Ключевые слова: песок, суглинок, осадок, эрлифт, шнековый подъем.
щ ш одземные резервуары для за-
-1А. хоронения промышленных отходов и хранения жидких углеводородов в зоне вечной мерзлоты сооружаются через технологические скважины в мерзлых песчаных отложениях и суглинках.
Процессами создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах через скважину являются тепловое разрушение, доставка талых пород и их подъем на поверхность. Тепловое разрушение осуществляется подачей пара в нижнюю часть скважины при конвективном переносе тепла в затопленном объеме подземного резервуара к поверхности мерзлых пород.
Доставка оттаявших пород происходит в результате их осаждения на дне подземного резервуара, с образованием осадка под углом естественного откоса от боковой поверхности резервуара до забоя технологической скважины.
Подъем пород на поверхность может осуществляться одним из 3-х способов: вытеснением при создании избыточного давления в подземном резервуаре, эр-лифтированием и с использованием шнекового подъемника. В первых двух способах подъем осуществляется при использовании гидромониторной струи
для взвешивания осевшего осадка с вытеснением или всасыванием образующейся гидросмеси по пульпоподъемной колонне. При использовании шнекового подъемника используется механическое рыхление осадка, что позволяет отказаться от оборотной воды.
Традиционная технологическая схема создания подземного резервуара включает подачу в скважину пара, воды и сжатого воздуха и подъем на поверхность гидросмеси, которая направляется на обезвоживающую установку или карту намыва для отделения и складирования извлекаемых пород и возврата воды в подземный резервуар. Для поддержания в подземном резервуаре заданного уровня раздела вода-воздух подается дополнительная вода в объеме примерно равном объему извлекаемой породы.
Минимизировать затраты при строительстве можно сократив объем поднимаемой оборотной воды за счет обезвоживания осадка в подземном резервуаре, который можно рассматривать в качестве отстойника-сгустителя.
Задачами исследований являлось определение параметров осаждения
Рис. 1. Зависимость плотности осадка суглинка от времени его уплотнения
Рис. 2. Зависимость влажности осадка суглинка от времени его уплотнения
Рис. 3. Зависимость плотности осадка суглинка от его высоты
талых пород и подъема по скважине на поверхность осадка, образующегося на дне подземного резервуара.
Исследования осаждения частиц породы и образования осадка проводились на песчаных породах и суглинке Бова-ненковского нефтегазоконденсатного месторождения полуострова Ямал.
Мелкозернистый песок, после осаждения в воде, образует осадок плотностью 1,975 т/м3 и влажностью 47 %. Влажность песчаных пород на глубине строительства подземных резервуаров 15-50 м составляет 40-50 %. Угол естественного откоса песка в воде 400. Исследования показали, что плотность песка под водой практически не изменяется от времени и высоты осадка.
Характерной особенностью образования осадка при оттаивании мерзлых суглинков является выпадение преимущественно в виде комков размером от 2 до 5 мм. Образующийся осадок имеет рыхлую структуру, а при его подъеме эрлифтом на поверхность поднимается глинистая суспензия, содержащая куски суглинка различной крупности.
Зависимости плотности и влажности осадка суглинистых пород от времени и высоты осадка приведены на рис. 1, 2, 3. Частицы суглинка, оседая в воде в течение нескольких часов, образуют осадок плотностью 1,4 - 1,5 г/см3, плотность которого увеличивается до 1,7 т/м3 через 10 суток. При этом осадок суглинка с влажностью 57-80 % обладает текучестью и угол его естественного откоса изменяется от 0 до 10 . Плотность осадка практически не зависит от его высоты. Подвижное состояние осадка суглинка сохраняется длительное время, при этом за 12 суток высота осветленной воды над
Параметры эрлифтного подъема при различной плотности поднимаемой глинистой суспензии
Плотность гидросмеси, т/м3 1,0 1,3 1,6
Максимальная производительность, м /ч 106 82 66
Расход воздуха при максимальной производительности, м3/ч 680 710 750
осадком не превышает 6,5 % от высоты отстойника при исходной плотности глинистой суспензии 1,5 г/см3. Это свидетельствует о трудности гравитационного обезвоживания гидросмеси при схеме с использованием оборотной воды при создании подземного резервуара в многолетнемерзлых глинистых породах.
Рассмотрим параметры подъема осадка песка эрлифтом и вертикальным шнековым подъемником. Стабильная работа эрлифта при подъеме песчаной пульпы возможна при ее плотности не более 1,3-1,35 г/см3, что соответствует содержанию воды около 80 % или соотношению по объему извлекаемого песка т:ж = 1:3. При производительности от-
Рис. 4. Движение влажного песка в шнековом подъемнике
24 м3/час оборотной воды и 10 м3/час воды для восполнения объема извлекаемого песка. При использовании шнекового подъемника диаметром 180 мм и скорости вращения шнека 100 об/мин обеспечивается производительность по песку до 15 м3/час. При подъеме влажного песка с помощью вертикального шнека происходит его частичное обезвоживание (рис. 4). При этом влажность поднимаемого песка будет незначительно отличаться от естественной влажности песчаных отложений, что не потребует подачи в подземный резервуар дополнительной воды, а, следовательно, нет необходимости в его обезвоживании на поверхности. Таким образом становится возможным отказаться от процесса отделения воды от песка на поверхности и вести круглогодичное строительство подземных резервуаров в условиях полуострова Ямал.
Подъем суспензии суглинка с плотностью 1,5 т/м3 из подземного резервуара, благодаря его подвижности, может осуществляться как эрлифтом, так и шнековым подъемником.
На рис. 5 представлены зависимости производительности эрлифтной установки от расхода подаваемого воздуха при различных значениях плотности поднимаемой глинистой суспензии при коэффициенте затопления а=0,6.
Расчеты показывают, что с увеличением плотности осадка производительность подъема снижается, а расход воздуха, соответствующий максимальному значению производительности, возрастает (таблица). Благодаря подвижности
- 100 6 80 §
І 60 і
Й 40
■
о
& 20
N II
7=1,3
7= 1,6
400 600 800
Расход воздуха, м3/ч
Рис. 5. Характеристика эрлифтного подъема осадка суглинка при различной плотности глинистой суспензии: 1. у
= 1 г/см3, 2. у = 1,3 г/см3, 3. у = 1,6 г/см3
осадка суглинка, его эрлифтирование возможно при плотности до 1,6 т/м3.
Недостатком эрлифтного способа подъема является необходимость создавать в ряде случаев избыточное давление воздуха в подземном резервуаре для увеличения коэффициента затопления, что повышает требования к герметичности обсадной колонны скважины и усложняет контроль за положением уровня раздела вода-воздух в подземном резервуаре.
Исследования по подъему осадка суглинка шнеком проводились на физической модели с линейным масштабом 1:7. При плотности глинистой суспензии 1,5 т/м3 подъем происходит при вращении шнека более 200 об/мин, а при плотности 1,3 т/м3 скорость вращения должна превышать 400 об/мин. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования шнекового подъемника для подъема глинистой суспензии с плотностью более 1,3 т/м3.
Выводы
1.Подземный резервуар, создаваемый в многолетнемерзлых осадочных породах, можно использовать в качестве сгустителя, что позволит сократить или
полностью исключить использование оборотной воды и отказаться в технологической схеме от обезвоживания поднимае-мой гидросмеси на поверхности.
2. Плотность осадка песка на дне подземного резервуара составляет около 2 т/м3 при влажности 47%, что примерно соответствует плотности и влажности мерзлых песчаных отложений. Плотность осадка, образующе-гося при оттаивании суглинков, составляет 1,4-1,7 т/м3 и определяется временем его уплотнения.
3. Влажность осадка суглинистых пород в подземном резервуаре составляет 70-80 %, что также позволяет вести строительство подземного резервуара без отделения оборотной воды, однако для поддержания заданного уровня раздела вода-воздух в подземном резервуаре требуется дополнительная подача воды в количестве 20-30% от объема извлекаемого суглинка.
4. При строительстве подземного резервуара осадок талого песка целесообразно извлекать на поверхность с использованием шнекового подъемника.
5. Осадок суглинка можно извлекаться на поверхность эрлифтным способом без его разжижения в зоне всасывания или с применением шнекового подъемника, при этом с уменьшением плотности осадка необходимо увеличивать скорость вращения шнека.
Таким образом, результаты выполненных исследований показывают, что использование подземного резервуара для осаждения и накопления осадка позволит отказаться от отделения оборотной воды от породы на поверхности и
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------
Хрулев Александр Сергеевич - доктор технических наук, начальник отдела технологических проблем подземного хранения в многолетнемерзлых породах, Подземгазпром, a. khrulev@podzemgazprom.ru,
Перфильева Маргарита Александровна - младший научный сотрудник, Подземгазпром, m.perfelyeva@podzemgazprom.ru
Шергин Денис Владимирович - студент Московского государственного горного университета, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru, младший научный сотрудник, Подземгазпром, e-mail: densw_2005@mail.ru
------------------------------------------ ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
Еременко О.В.
Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2011. — № 3. — 77 с.— М.: издательство «Горная книга»
Рассмотрен инструментарий формирования топливно-энергетического баланса на основе межотраслевого баланса, динамической модели и оптимизации объема выпуска по отраслям топливно-энергетического комплекса.
Приведены конкретные расчеты для условий Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Eremenko O. V. THE METHODOLOGICAL BASES OF THE FORMATION OF FUEL-ENERGY BALANCE OF THE EASTERN SIBERIA AND FAR EAST OF RUSSIA
The tools of formation of fuel and energy balance based on input-output balance, dynamic model and optimize the output for the fuel and energy complex are reviewed.
The specific calculations for the conditions of Eastern Siberia and the Far East of Russia are given.
