CC BY
51
----------------------------------------- © О.М. Гридин, С.Д Сурин,
О.И. Савич, 2011
УДК 622.227:622.232
О.М. Гридин, С.Д. Сурин, О.И. Савич
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ ПРИ ХРАНЕНИИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ
Проведена оценка теплового воздействия на многолетнемерзлый массив при хранении жидких углеводородов в подземных резервуарах.
Ключевые слова: жидкие углеводороды, подземное хранение, тепловой режим мерзлых пород.
Яеобходимый объем хранения жидких углеводородов на северных месторождениях может достигать существенных объемов - до сотен тысяч кубометров. Хранение такого количества горючих жидкостей сопряжено с повышенными требованиями к промышленной и экологической безопасности. Подземная схема хранения жидких углеводородов обладает рядом преимуществ по сравнению с наземными металлическими резервуарами. Прежде всего - это отсутствие рисков возникновения пожара в результате халатности или саботажа (в связи с невозможностью непосредственного контакта человека с подземной полостью), большие единичные объемы резервуаров и отсутствие коррозирующих материалов в конструкции. Хранение жидких углеводородов в мерзлых породах экономически целесообразней ввиду отсутствия затрат на эксплуатацию и более дешевого строительства. Однако, подземное хранение требует более серьезных мероприятий по обеспечению устойчивости резервуара в течение всего срока эксплуатации нежели наземные аналоги. Основное направление деятельности в случае проектирования подземных ре-
зервуаров является обеспечение устойчивости подземной выработки в процессе ее эксплуатации.
Так как при повышении температуры прочностные свойства мерзлых пород существенно снижаются (вплоть до потери связности при фазовых переходах), то устойчивость подземных резервуаров, создаваемых в мерзлых дисперсных породах, определяется, прежде всего, их температурой.
В подземных резервуарах необходимо поддерживать температурный режим, обеспечивающий сохранение стенок и свода камеры в твердомерзлом состоянии и не допускать оттаивания вмещающих пород. Оттайка стенок хранилища приведет к изменению формы резервуара и, как следствие, вызовет изменение напряженно-деформиро-ванного состояния массива, что может повлечь за собой потерю устойчивости кровли.
Целью данной работы являлось исследование температурного режима многолетнемерзлых грунтов при хранении жидких углеводородов в подземных резервуарах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определение максимально допустимой температуры хранимых жидких углеводородов, позволяющих обеспечивать надежную эксплуатацию подземных резервуаров.
2. Оценка предварительного охлаждения массива мерзлых пород зимой, позволяющего хранить теплые продукты в летний период.
Моделирование процессов теплового взаимодействия подземных резервуаров с многолетнемерзлыми породами проводилось в программном продукте «Тепло» (авторское свидетельство РосАПО №9400281), позволяющем отразить физические процессы, происходящие при фазовых переходах в горных породах при неоднородном строении массива и различных граничных условиях на границах расчетной области. В качестве численного метода применена схема конечных разностей.
Для определения максимально допустимой температуры
единовременного залива теплого продукта предлагается решить задачу в следующемшщааарвщврзлого массива в начальный момент времени считается равной естественному распределению температур по глубине на Бованенковском НГКМ.
2. Рассматривается одиночная
подземная выработка объемом 3500 м3, имеющая ось симметрии. Тепловое взаимодействие с соседними
выработками не учитывается.
3. Моделируется процесс неполного заполнения подземной выработки (90-95 %), что соответствует регламенту на эксплуатацию резервуаров для хранения жидких углеводородов.
4. Резервуар заполняется хранимым продуктом мгновенно.
Перечисленные допущения позволяют ставить тепловую задачу как ради-
ально-симметричную при ее решении конечно-разностным методом.
При моделировании процесса хранения жидких продуктов в подезмных резервуарах необходимо учитывать геометрию выработки. Хранилище представляется в программе «Тепло» как половина вертикального сечения, обладающее осью симметрии. Расчетная область представляет собой прямоугольник с сеткой 0,5 х 0,5 м (рис. 1). На верхней границе расчетной области заданы граничные условия третьего рода. На нижней границе расчетной области граничные условия второго рода, описывающие тепловой поток из центра Земли с геотермическим градиентом 2,6 0С/100 м. Боковые границы описываются граничными условиями второго рода с нулевым теплопотоком из-за изотропности массива и условия постоянства температуры по глубине в начальный момент времени.
При расчетах велись наблюдения за динамикой температуры непосредственно за стенкой выработки и исследовался размер зоны грунтов с пластичными свойствами (для пылеватых песков эта температура составляет -1 0С). Теплофизические характеристики вмещающих пород представлены в табл. 1.
Изучалось влияние теплого дизельного топлива на мерзлый массив. Естественно, что при температуре продукта ниже температуры вмещающих пород (около -4 0С) массив песков захолажива-ется и приобретает большую устойчивость.
Всего было проведено 4 расчета, описывающих отепляющее воздействие продуктов хранения на вмещающий породный массив с учетом различных температур продукта и объема резервуаров (рис. 2).
117 0 0.5 — 3.0 е.о 8.0 9.0 —гп'1 ~ 12.0 13.0
3500 куб. м
18.0
18.5
19.0
19.5
20.0
21.0
22.0
22.5
123.0
123.5
24.0
24.5
25.0
25.5
26.0
26 5
27.0
27.5
28.0
29.0
29.5
30.0
30.5
31.0
31.5
32.0
32.5
33.0
33.5
34.0
34.5
35.5
Рис. 1. Представление ПР в программе «Тепло» и точка наблюдения вблизи выработки. (Объём 3500 м3, глубина заложения кровли 17 м)
Из графика изменения температуры на стенке хранилища после единовременного сброса теплого дизельного топлива видно, что при температурах выше +2 0С мерзлые пески растепляются до -1,0 0С (до границы пластичномерзлого состояния) или, в худшем случае, начи-
Таблица 1
Теплофизические характеристики, используемые при расчетах в программе «Тепло»
нается оттаивание стенки выработки. Это приводит к изменению формы выработки и может привести к потере устойчивости всего мерзлого массива.
На Мастахском ГКМ в период с 1980 по 1984 гг. по исследуемой технологии был создан резервуарный парк из трех выработок общим объемом около 10000 м3. Оценка устойчивости емкостей проводилась только для естественных температур мерзлых пород. Неучтенное тепловое воздействие привело к тому, что в настоящее время два из трех резервуаров работоспособны и используются для хранения газового конденсата, а третий находится в аварийном состоянии (рис. 3).
Из-за многочисленных заливов теплого продукта в летний период в резервуар №3 на Мастахском ГКМ произошло изменение геометрии выработки, образовался «колокол» в за-колонном пространстве, дно емкости поднялось на 5 м с уменьшением полезного объема с 5000 м3 до 3600 м3.
Учет теплового воздействия и изме-
Грунт Ст, 3 0 ккал/м С См, 3 0 ккал/м С /\т, 0 ккал/м С час /\м, 0 ккал/м С час ОФ, 3 ккал/м т.н.з., 0 С
Суглинки легкие 739 505 1,35 1,55 30000 -0,5
Пески пылеватые 620 450 1,55 2,09 17500 0
Суглинки тяжелые 720 550 1,15 1,42 30000 -1
Лед/Вода 1000 500 0,5 2 80000 0
Рис. 2. Изменение температуры на стенке резервуара объемом 3500 м3 в зависимости от температуры закачиваемого продукта
нение прочностных свойств мерзлых пород позволил бы избежать данных негативных последствий.
При проектировании резервуарного парка необходимо оценивать не только единовременный залив продукта хранения и изменение прочностных свойств окружающего массива. Требуется не допустить изменения формы выработки за весь период эксплуатации (до 50 лет).
Для этого проведен расчет необходимого захолаживания мерзлого массива, позволяющего хранить продукт в течение всего теплого периода и проводить циклы откачки/закачки. Считается, что закачка и отбор продукта происходит ежемесячно. В зимний период в резервуар заливается предварительно охлажденный продукт. Охлаждение продукта обеспечивается принудительной циркуляцией через теплообменник на поверхности либо через установку в резервуар сезонно-охлаждающей установки. Данное инженерное решение позволит в летний период закачивать в хра-
нилище теплый газовый конденсат, дизельное топливо и т.п. без предварительного дорогостоящего охлаждения. Расчет велся с допущениями, аналогичным описанным в предыдущей задаче.
Необходимо рассчитать температуру, поддержание которой в подземной выработке в зимний период будет достаточной для того, чтоб при хранении теплого продукта летом не происходило оттаивания стенок резервуара и, следовательно, не изменялась его форма. При отсутствии оттаивания стенок камеры не будет нарушаться длительная устойчивость резервуаров и будет обеспечиваться надежность эксплуатации.
Всего было сделано 3 цикла моделирования процессов теплового взаимодействия мерзлого массива с хранимым продуктом. Сначала выдерживался график залива холодного продукта - 8 месяцев, затем 4 месяца летнего теплого режима с температурой продукта, равного среднемесячным
Рис. 3 Изменение формы ПР №3 на Мастахском ГКМ (Якутия) из-за нарушений режима эксплуатации
Таблица 2
Среднемесячные температуры воздуха на Бованенковском НГКМ
температурам воздуха на Бованенковском НГКМ (табл. 2).
Результаты моделирования приведены на рис. 4.
Из графика хорошо видно, что для обеспечения залива дизельного топлива или газового конденсата в летний период (для территории Бо-ваненковского НГКМ) необходимо использовать зимой хладагент с температурой ниже -15 0С. Иначе в летний период температура стенок резервуара достигает температуры оттаивания, что неминуемо приведет к изменению его геометрии.
Было проведено исследование необходимого охлаждающего воздействия в течение зимнего периода для обеспечения надежной эксплуатации подземных резервуаров при повторяющемся ежегодном заливе теплого продукта в летний период. Результаты моделирования приведены на рис. 5.
Из результатов моделирования процесса захолажи-вания мерзлого массива можно сделать вывод, что естественное охлаждение
Месяц I II III IV V VI
Температура, °С -24.1 -27.4 -23.3 -12.0 -6.2 1.5
Месяц VII VIII IX X XI XII
Температура, °С 7.1 8.1 3.1 -3.6 -14.6 -19.0
Рис. 4. Динамика температуры в летний период (4 месяца) за стенкой резервуара при заливе теплого продукта в зависимости от степени захолаживания камеры в зимний период
Температура охладителя, град
Рис. 5. Зависимость необходимой температуры охладителя в зимний период (8 холодных месяцев) в зависимости от средней температуры летнего периода (4 месяца)
хранимого продукта может обеспечить
пературы
достаточно надежную эксплуатацию подземного ре-зервуарного парка. На северных месторождениях температура воздуха зимой позволяет проводить охлаждение жидких углеводородов на дневной поверхности и затем производить загрузку хранилища с последующим захо-лаживанием окружающего массива.
Аппроксимировать зависимость максимально возможной температуры воздуха, при которой позволяется осуществлять хранение жидких углеводородов можно следующим уравнением:
Твозд = -0.0097 ■ Тохл2 - 0.9377 ■ Тохл - 3.7968,
где Твозд - средняя температура продукта в летний период, как средняя температура воздуха (0 <Твозд <16 0С); Тохл - средняя температура охладителя зимой (Тохл <0 0С)
Данная зависимость позволяет без длительных расчетов получить приближенное значение температуры охладителя, необходимого для захолаживания массива мерзлых грунтов в зависимости от средней летней тем-воздуха. ВТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Гридин Олег Михайлович - доктор технических наук, профессор, Mосковский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru Сурин Степан Дмитриевич - научный сотрудник, Подземгазпром,
Савич Олег Игоревич - кандидат технических наук, заместитель начальника отдела технологических проблем подземного хранения в многолетнемерзлых породах, Подземгазпром, o. savich@podzemgazprom.ru)
