CC BY
51
© М.Н. Теплов, Н.В. Давыдова, 2002
УДК 621.642.37
М.Н. Теплов, Н.В. Давыдова
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ ЛИКВИДИРОВАННЫХ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Т
ехнология подземного хранения углеводородов в каменной соли используется в России и за рубежом более 40 лет и доказала свою эффективность. В связи с длительным сроком эксплуатации ряда подземных резервуаров (ПР) возникает проблема их ликвидации. Необходимость ликвидации ПР, а также потребность в их консервации может быть вызвана различными причинами, например:
• выработка ресурса подземного хранилища;
• авария на ПР, последствия которой нельзя устранить путем ремонта;
• бесперспективность эксплуатации резервуара вследствие различных, например, экономических, факторов;
• вредное влияние ПР на экологическую обстановку.
В настоящее время отсутствует достаточный опыт ликвидации ПР в каменной соли. В то же время успешно решается задача ликвидации горных выработок, в том числе буровых скважин, в смежных отраслях (горной и нефтегазовой). В источниках [1, 2, 10] изложены подходы, требования, последовательность технологических операций и мероприятия, выполняемые при ликвидации подземных горных выработок, которые в принципе могут быть использованы и при ликвидации и консервации ПР.
Главные задачи, решаемые при ликвидации подземных горных выработок, - стабилизация геомеханиче-ских процессов в породных массивах в окрестности выработок и минимизация влияния ликвидируемых выработок на окружающую среду. Особенностью ПР в каменной соли является то, что к моменту ликвидации резервуар, как правило, заполнен рассолом,
способным оказать негативное воздействие на экосистему в случае его проникновения в окружающий породный массив вследствие геомеханиче-ских процессов конвергенции и разрушения стенок выработки-емкости или вскрывающей выработки (экс-плуатацион-ной скважины). Поэтому к технологии ликвидации должны быть предъявлены особые требования с целью предотвращения неконтролируемого распространения рассола. Задача осложняется тем, что породный (соляной) массив проявляет реологические свойства, а процесс деформирования выработки-емкости и окружающего массива может быть весьма длительным.
В подземных выработках-емкостях при их консервации или ликвидации идут долговременные процессы, в результате которых рассол в выработке и породный массив переходят в равновесие в результате изменения температуры (как правило, повышения до естественной на данной глубине), повышения концентрации рассола до максимальной при данных термодинамических условиях за счет «подрастворения» стенок ПР и конвергенции стенок резервуара вследствие вязкопластических деформаций каменной соли.
Видимым проявлением этих процессов является повышение давления в выработке-емкости, которое со временем стабилизируется. Величина установившегося давления зависит от горно-геологических условий и
свойств каменной соли; во всех случаях вследствие ползучести соли она больше величины естественного давления подземных вод на данной глубине, т. е. гидростатического давления [3, 6, 9]. Вследствие этого негер-метичность ПР приведет к утечке рассола в окружающий породный массив, в том числе и в водоносные горизонты.
Рассмотрим возможность загрязнения окружающей среды вследствие утечки захороненного рассола из ликвидированного резервуара.
Известно, что основные требования к подземным выработкам-емкостям - герметичность и устойчивость [5]. Очевидно, что абсолютно герметичных систем не бывает. Это отражено в нормах проектирования и строительства подземных хранилищ, в которых утечка хранимого продукта из подземных резервуаров нормируется, а величина допустимой утечки зависит от вида продукта:
• в России величина допустимой утечки из скважины ПР составляет:
0,02 м3/сут для жидких продуктов и 50 кг/сут для газообразных [5];
• в зарубежных странах, по данным [9], величина допустимой утечки равна 0,020-0,027 м3/сут для жидких продуктов и 50 кг/сут для газообразных.
В среднем допустимая величина утечки по нормам различных стран составляет 7-10 м3/год в пересчете на жидкость.
Известны единичные экспериментальные данные о величине утечек из ПР. Например, в статье [6] приведены результаты определения фактической величины утечки для сферической выработки-емкости (глубина заложения -950 м, объем - 7500 м3), для которой величина утечки составила 2,25 м3/год.
При негерметичности подземного резервуара путями миграции могут быть проницаемый породный массив, трещины в породном массиве, возникшие в процессе строительства и эксплуатации ПР вследствие гидроразрыва, а также негерметичная скважина, связывающая выработку с водоносными горизонтами.
Так как утечка из резервуара происходит вследствие превышения давления в нем над гидростатическим, т. е. давлением подземных вод, а давление в закрытом резервуаре изменяется, остановимся на этом подробнее. Выше отмечено, что в закрытой выработке-емкости идут процессы теплообмена, массообмена и вязкопластическое деформирование окружающего породного массива. Первые два из них являются по своей сути затухающими, прекращающимися по мере выравнивания температур и насыщения рассола; период их стабилизации
составляет ориентировочно до двух лет [9].
Продолжительность протекания геомеханических процессов, происходящих в окружающем породном массиве, значительно дольше [9-11]. Скорость конвергенции зависит от физико-механических характеристик каменной соли, увеличивается с ростом глубины заложения и уменьшается с увеличением давления в выработке-емкости. По существующим нормам [5], параметры резервуара и диапазон допускаемых эксплуатационных давлений таковы, что выработка-емкость должна сохранять устойчивость продолжительное время. Емкости, незаполненные (без противодавления, уравновешивающего горное давление), значительно быстрее теряют начальный объем, чем емкости с противодавлением [15]. На основании имеющихся теоретических представлений о механизме деформирования каменной соли и экспериментальных данных можно утверждать, что если давление в выработке-емкости поддерживается на уровне величины, равной давлению столба рассола на этой глубине, то с течением времени скорость конвергенции уменьшается до нулевой, а объем выработки стабилизируется [11, 15]. По различным оценкам, конечный объем выработки, то есть объем продукта, находящегося в выработке, составит около двух третей от начального [15].
Экспериментально установлена величина скорости конвергенции для ряда подземных резервуаров, находящихся под давлением столба рассола, по его свободному из-ливу. Примеры по данным различных источников приведены в табл. 1. Таблица 1
Таким образом, величина излива для выработок на глубине около 1000 м имеет порядок п*10-5 сут'1 и достигает нескольких сотен литров в сутки.
Абсолютная величина уменьшения объема выработки, определяемая конвергенцией за «бесконечное» время, также зависит от величины противодавления.
В качестве примера можно привести результаты исследования Д.Н. Гурина, выполненные для подземных резервуаров, расположенных в районе Астраханского ГКМ [15]. В табл. 2 приведены данные зависимости конечного объема выработок-емкостей от величины противодавления флюида в них.
От величины противодавления зависит, соответственно, и продолжительность стабилизации объема. При величине давлении, равной давлению столба рассола на данной глубине (12 МПа в табл. 2) она составляет более 15 лет.
Если излив отсутствует, то в результате конвергенции рассол сжимается и давление в выработке повышается. В литературе обсуждались теоретические и прикладные аспекты возможности гидроразрыва в соляных породах после закрытия выработки-
напряжениях, а при наличии начальных трещин разрушение происходит вследствие их развития при давлении, зависящем от длины трещин. Согласно теоретическим представлениям, после инициирования трещины при ее распространении давление падает до величины, равной нагрузке, приложенной перпендикулярно к берегам трещины - установившегося давления [7]. Таким образом, эксперименты по гидроразрыву могут служить инструментом для оценки величин компонентов напряжений в породном массиве.
В табл. 3 приведены экспериментальные данные по гидроразрыву (давление инициирования гидроразрыва (Ргид) и установившееся давление после развития трещины (Руст)) в солях и расчетные значения соотношений давлений гидроразрыва и горного по материалам [7, 8].
Из экспериментов следует, что исходное напряженное состояние может значительно различаться. В ряде случаев оно близко к равнокомпонентному, когда давление гидроразрыва в соответствии с коэффициентом концентрации напряжений на поверхности выработки примерно в полтора-два раза выше горного, а выравнен-
Таблица 2
П ротиводавление в выработке, МПа
0 8 10 12 14 16 18
Конечный объем выработки, в долях от начального объема 0 0,56 0,66 0,76 0,86 0,92 0,99
емкости [3, 4, 6]. Авторы этих работ рассматривают процесс гидроразрыва и приводят расчеты максимального давления в выработках-емкостях в каменной соли. Механизм разрушения в таких породах сводится к раз-
ное близко к Таблица 3
Глубина заложения Величина скорости конвергенции Источник
выработки, м м3/сут 1/сут
750 0,25 1,67 Х10-5 * [11]
450 0,03 0,44 Х10'5 * [11]
1057 2,86 2,9 Х10'5 * [10]
1064,5 1,87 1,78 Х10'5 * [10]
1000 0,08-8,22 (0,08-8,22) Х10'5 [3]
Примечание: * - средние значения за весь период наблюдений
№ Месторождение Глубина, м Рги
1 Пейнсвилл, Огайо 760
2 Виндзор, Онтарио 488
3 Воткинс Глен, Нью-Йорк 640
4 Карсбад, Нью-Мексико 350
5 Бернбург, (Г ермания) 485
6 Аллерталь, (Г ермания) 480
7 Страссфурт, (Г ермания) 460
8 Страссфурт, (Г ермания) 530
9 Прикарпатье, (Россия) 485
10 Солигорск, (Россия) 455
11 Солигорск, (Россия) 909
рыву при предельных растягивающих
горному (примеры 1, 2, 3, 4, 10 в табл. 3). В других случаях, когда боковое давление определяется в соответствии с гипотезой Динника и равно 0,4-0,6 от горного, давление гидроразрыва немного больше или меньше горного (примеры 5, 6, 9, 11 в табл. 3). Таким образом, давление инициирования гидроразрыва определяется величиной горного давления, а выравненное давление соответствует минимальному главному напряжению.
Рассмотрим экспериментальные данные, полученные при наблюдении за состоянием выработок-емкостей в каменной соли. Резервуары, рассматриваемые в [14], длительное время были закрыты, то
есть находились в режиме консервации; они были сооружены путем использования подземных ядерных взрывов и спустя некоторое время (5-7 лет) заполнены водой или газовым конденсатом. Вследствие длительного нахождения без противодавления объем выработок значительно уменьшился, причиной чего были вязкопластические деформации породного массива, а также из-за обрушения кровли [14]. В табл. 4 приведены данные по некоторым ПР [8].
В процессе наблюдений за выработками-емкостями установлено, что с течением времени давление в них повышается и затем стабилизируется при величине, которая несколько меньше горного. В то же время длительные наблюдения за ПР показали наличие аномального их поведения [15], которое заключается в следующем. Если выработка закрыта, то после установления в ней давления Р периодически фиксируются скачки давления АР, то есть скачкообразное снижение давления и затем его восстановление до прежнего уровня, как показано в табл. 5 для некоторых ПР.
В том случае, если выработка открыта и из нее происходит свободный излив рассола, то интенсивность излива может самопроизвольно увеличиваться или уменьшаться более чем на порядок (см. табл. 1).
Аналогичная картина скачков давления наблюдается на газонефтяных месторождениях, когда происходит миграция флюида из структурной ловушки. Установлено, что под воздействием высоких давлений вследствие поступления легкого продукта из глубин происходит повторное раскрытие старых трещин или инициирование новых, то есть утечка продукта из структуры. Наиболее вероятно, что утечка про-
исходит через существующие трещины, так как для их раскрытия требуется меньшее давление, нежели инициирование новой системы трещин. Они являются вероятными путями вторичной миграции; в соответствии с существующим напряженным состоянием первоначально повторно раскрываются вертикальные трещины и только затем
- горизонтальные. На рассматриваемой в [12] площади Снорре максимальное давление продукта интерпретируется как достигающее горизонтального главного напряжения.
Поэтому факт скачкообразного снижения и последующего восстановления давления в выработках-
емкостях можно интерпретировать как микрогидроразрыв. Проявляется динамический процесс поддержания постоянного давления в выработках, в результате как конвергенции, так и под действием утечек, вследствие чего система саморегулируется посредством утечки флюидов в породный массив.
При интерпретации снижения давления как утечки можно рассчитать ее величину по формуле, аналогичной [5]:
АV = V * АР * с ,
где V - объем жидкости в выработке; АР
- величина снижения давления от установившегося; с - изотермический коэффициент сжимаемости флюида в выработке (для рассола равен 2,3Х10-10 1/Па,
для газового конденсата 10Хх10-9 1/Па);
Под величиной перепада давления понимается разность установившегося давления в выработке-емкости (Р) и минимального давления при единичном аномальном снижении.
Для расчета суммарной утечки за год величины единичных утечек за этот период суммируются.
В формулу входит величина объема выработки, который можно определить по результатам экспериментальных исследований. В связи с тем что объем рассматриваемых выработок уменьшился, в соответствии с [13, 15] для расчетов ориентировочно принято, что он в период проведения наблюдений составляет две трети от начального, как показано в табл. 2.
Результаты расчетов величины утечек по наблюдениям в 1999 году приведены в табл. 5.
Отношение установившегося давления к горному значительно меньше единицы, что отличается от данных, приведенных в табл. 3.
Таблица 5
№ Экспериментальные данные Анализ экспериментальных данных
ПР Р, МПа ДР, МПа Количество циклов падения давления в год Р выр уИ Р выр АР тах ДV,м3
уИ
2Т 15,4 0-1 23 0,65 0,042 28,6
4Т 17,3 0-1,3 17 0,72 0,054 20,2
7Т 13,9 0-2 2 0,58 0,083 18,6
Таблица 4
№ ПЕ Объем ПР, м3 Год создания ПР Отметка кровли ПР, м Отметка дна ПР, м Отметка башмака обсадной колонны, м
2Т 32000 1981 1028 1059 811
4Т 35000 1981 1039 1064 922
7Т 44000 1982 947 978 736
9рТ 32000 1983 1031 1057 825
Этот факт можно объяснить тем, что коэффициент бокового распора для района расположения ПР оказывает непосредственное влияние, как это показано в работе [15].
Таким образом, можно констатировать, что закрытые подземные резервуары, давление в которых достигло максимального и установилось на уровне, при котором конвергенция теоретически должна прекратиться, испытывают периодическую разгрузку. Разгрузка означает, что часть рассола из выработки по раскрывшимся или вновь возникшим трещинам проникает в породный массив. После падения давления трещина закрывается, а давление восстанавливается до первоначального вследствие конвергенции за несколько суток. Величины «разо-вых» утечек составляют 0,1-1 м3 и примерно соответствуют замеренным суточным величинам излива, что подтверждает возможность существования такого механизма поддержания давления в выработке.
Не останавливаясь на факторах, влияние которых приводит в действие такой процесс саморегуляции состояния закрытых выработок-емкостей, рассмотрим следствия из него.
С точки зрения задачи консервации и ликвидации подземных резервуаров, а также захоронения промышленных отходов в отложениях каменной соли, важным представляется следующее:
1. После ликвидации (консервации) подземного резервуара сохраняется возможность утечки из него флюида, причем ее величина может достигать нескольких десятков м3/год. Миграция флюида может происходить главным образом по скважине, в том числе по за-трубному пространству обсадной колонны, а также непосредственно из выработки-емкости при наличии проницаемых пород.
2. Подземный резервуар после его ликвидации не является абсолютно герметичным, поэтому при захоронении промотходов следует
учитывать возможность миграции части флюида в водоносные горизонты через негерметичную скважину и затрубное пространство обсадной колонны.
3. Для предотвращения загрязнения подземных вод следует предусмотреть специальные мероприятия, например:
• проведение ликвидации выработки-емкости после окончания протекания естественных процессов конвергенции и стабилизации ее геометрического объема, когда в породном массиве наступает равновесие;
• отверждение рассола (или захораниваемого продукта), что обеспечивает подкрепление выработки-емкости, отсутствие флюида для утечки;
• ликвидация скважины подземного резервуара путем установки моста, исключающего возможность миграции рассола в используемые и охраняемые водоносные горизонты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция о порядке ликвидации, консервации скважин и оборудования их устьев и стволов. Госгортехнадзор, 22.03.2000 г.
2. Кеберг Дж., Уолтерс Дж.В. и др. Механическое поведение горных пород и аспекты герметизации закрытых каверн в соли, заполненных рассолом/^MRI, 1986.
3. Berest P., Brouard B. et Durup G. Abandon des cavites sa-lines//Rev. Fr. Geotech. 1998, 23-36 р.
4. Гнайэди К.Т., Эхгартнер Б.Л. Прогнозы гидроразрыва при превышении давления герметизированных скважин /SMRI, 1993.
5. СП 34-106-98 Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. - М.: Госстрой России, 1998. - 110 с.
6. Berest P., Bergueus J., Brouard B., Durup G., Guerber B. Une mesure de la permeabilite et du fluage de une caverne dans le sel / Acade-mie des sciences, 1999, 329, 103-108 р.
7. Логинов Б.Г., Блажевич В.А. Гидравлический разрыв пластов. - М.: Недра, 1966.
8. Однопозов В.Л., Каратыгин Е.П., Кошин А.К. и Салтыкова Г.П. Гидравлический разрыв соляного пласта по отечественным и зарубежным данным. - М., 1979. - 26 с.: ил.
9. Remizov V.V., Posdnyakov A.G., Igoshin A.I. Examinachion of rock-salt underground cavern testing on leak tightness by pressure altera-tion//SMRI, San Antonio, Texas, USA, 55-64 p.
10. Шафаренко Е.М., Журавлева Т.Ю., Филимонов Ю.Л. Устойчивость и конвергенция подземных резервуаров. - Газовая промышленность, - 1999, № 9, 53-55 с.
11. Гальперин А.М., Шафаренко ЕМ. Реологические расчеты горнотехнических сооружений.- М.: Недра, 1977. - 246 с.
12. Кайе Ж. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти (гл. Покрывающие породы на месторождении Снорре (Норвегия): возможные утечки в результате гидроразрыва)/ Под редакцией В. Мори и Д. Фурментро. -М.: Мир, 1994. - 360 с.
13. Коенов Е.К. Закрытие аварийных подземных резервуаров на ГПЗ. - Газовая промышленность, - 1999, № 8, 45-46 с.
14. Геворкян С.Г., Голубов Б.Н. О деформации полостей подземных ядерных взрывов в районе Астраханского газоконденсатного месторождения. - Геоэкология, 1998, № 2, 17-37 с.
15. Гурин Д.Н. Геомеханическое обоснование экологической безопасности подземных хранилищ, создаваемых ядерными взрывами в отложениях каменной соли. Кандидатская дисс. - М.: МГГУ и ООО «Подземгаз-пром», 2001.- 143 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Теплов Михаил Конетантинович - зав. отделом ОАО «Подземгазпром».
Давыдова Нина Викторовна - мл. научный сотрудник, аспирантка Московского государственного горного университета, ОАО «Под-земгазпром».
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
