CC BY
36
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Смайльс Н.Ю.— кандидат технических наук, научный сотрудник, ИПКОН РАН.
------------------------------------------- © В.П. Малюков, 2005
УДК 622.272 В.П. Малюков
КРУПНОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ РАСТВОРЕНИИ
Семинар № 15
0дним из основных направлений научных исследований в области строительства подземных хранилищ углеводородов является разработка технологии создания резервуаров горизонтального типа в соляных пластах малой мощности и разработка устройств и методов интенсификации процесса растворения соли.
Современное состояние теории и практики строительства подземных резервуаров в отложениях каменной соли геотехнологическим методом через буровые скважины, предназначенных для хранения газообразных и жидких продуктов, характеризуется развитием технологических схем сооружения подземных резервуаров и получением основных расчетных уравнений формирования подземных резервуаров в зависимости от горно-геологи-ческих, технологических условий и режимов подачи растворителя.
Месторождения каменной соли на территории Российской Федерации, представленные пластами мощностью до 60 м составляют 25 % от общего количества месторождений [1]. Использование залежей каменной соли малой мощности в области строительства подземных хранилищ жидких и газообразных продуктов возможно при создании горизонтальных резер-
вуаров (галерейных, тоннельных), в виде протяженной выработки с размерами поперечных сечений в пределах мощности пласта.
Сооружение подземных вертикальных резервуаров в маломощных пластах через вертикальные скважины технически возможно, но экономически нецелесообразно. При этом получается подземный резервуар небольшого геометрического объема при дорогостоящей скважине. В пластах каменной соли незначительной мощности целесообразно строительство горизонтальных протяженных выработок необходимых геометрических объемов.
При сооружении горизонтальных резервуаров в маломощных пластах каменной соли результатом управления процессом подземного растворения соляной поверхности является получение геометрических характеристик выработки (площади поперечных сечений по длине выработки и их конфигурации) максимально близких к проектным. В этом случае можно получить максимально возможный геометрический объем резервуара и его оптимальную конфигурацию для конкретных горногеологических условий площадки строительства хранилища.
Таблица 1
Основные технологические параметры натурной горизонтальной выработки-емкости и выработок-моделей
№ п/п Параметры Выработка- емкость Модель 1Г Модель 2Г Модель 3Г Модель 4Г
1 Линейный масштабный множитель 1 45 40 45 45
2 Длина выработки, м 300 6,7 7,5 6,7 6,7
3 Объем выработки, м3 300000 3,3 4,7 3,3 3,3
4 Производительность Подачи воды, м3/час 243 0,12 0,15 0,12 0,12
5 Средняя площадь поперечного сечения, м2 1000 0,49 0,63 0,49 0,49
6 Время отработки выработки, ч/сут. 9120/380 192/8,3 228/9,5 192/8,3 192/8,3
7 Количество этапов отработки 5 6 5 5 5
8 Количество соли, из- 7;13;17; 10;12;15; 9;13;18; 7;13;17; 7;13;17;
влекаемой на этапах, в % от общего кол-ва 28;35 17;20;26 25;35 28;35 28;35
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать технологическую схему строительства горизонтальных резервуаров через две скважины: вертикально-горизонтальную и вертикальную [2].
Горизонтальный резервуар сооружается в пределах горизонтальной части вертикальногоризонтальной скважины и представляет собой горизонтальную протяженную выработку. В зависимости от мощности пласта каменной соли и геометрических размеров выработки отношение высоты к длине составляет от 1:5 до 1:10 и более. Моделировать такое соотношение в лабораторных условиях на кубах соли достаточно трудно. Поэтому принят метод крупномасштабного моделирования процесса строительства горизонтальных выработок.
Для отработки моделей в соляной горе из штольни были пробурены горизонтальные скважины с наклоном 2-90 в сторону забоя, диаметром 65-70 мм и длиной 11-12 м. Устьевая часть скважин на глубину 1,0-1,5 м расширена до диаметра 112 мм и обсажена трубой диаметром 89 мм. Затрубное пространство скважин зацементировано на длину обсадной трубы.
Крупномасштабное моделирование четырех горизонтальных выработок проведено на полигоне в Ходжа-Мумыне. В каменной соли
отмечается содержание нерастворимых включений глинистого материала (до 10 %).
Линейные размеры этапов по длине горизонтальной части скважины принимаются одинаковыми. Поперечные сечения выработки постепенно увеличиваются при переходе к последующим этапам отработки резервуара. При проведении экспериментальных исследований на моделях длина горизонтальной части верти-кально-горизон-тальной скважины разбивалась на 5 одинаковых отрезков-этапов с последовательным увеличением на каждом этапе количества соли, извлекаемого с рассолом.
Основные технологические параметры натурной горизонтальной выработки-емкости и пересчитанные параметры на выработку-модель приведены в табл. 1.
В результате этих исследований были установлены основные закономерности формообразования резервуаров. При создании крупномасштабной модели с негативными проявлениями при выходе из растворителя воздуха получаются неодинаковые по длине треугольные поперечные сечения выработки с плоской потолочиной (модель 1Г). При комбинированной конфигурации поперечного сечения выработки (комбинация полукруга в верхней части и треугольника в нижней части) отношение высоты выработки к величине полупролета получено 0,66. Форма горизонтальной выработки-модели 1Г представлена на рис. 1.
Таблица 2
Фактические параметры горизонтальных выработок-моделей
№ п/п Параметры Выработка-модель 1Г Выработка-модель 2Г Выработка-модель 3Г Выработка-модель 4Г
1 Длина выработки, м 8,4 7,5 10,5 8,15
2 Объем выработки, м3 3,38 5,42 1,92 4,86
3 Производительность подачи воды, м3/час 0,12 0,15 0,12 0,12
4 Объем рассола, м3 27,3 36,0 15,8 31,9
5 Количество соли, из-влекаемой с рассолом, кг 6719 10196 3659 9087
6 Время отработки выработки, ч/сутки 254/10,6 240/10,0 132/5,5 273/11,3
7 Простои, час 26,5 - - 7
8 Средняя концентрация рассола, г/л 246,1 287 232 285
9 Средняя температура рассола, 0С 21,2 26,7 19,5 22,0
10 Количество этапов отра-ботки 6 5 5 5
11 Количество соли, извле-каемой на этапах, в % от общего кол-ва 7;10;12; 15;17;20;26 7;12,6;17,0; 27,5;35,0 7; 13;17 8,4; 11,4; 16,5;23,4;40,3
12 Давление в выработке, МПа 0,14 0,35-0,72 0,7 0,75-0,99
13 Среднее значение высоты, м 0,61 0,97 0,40 0,93
14 Средняя величина пролета, м 1,87 1,09 0,45 1,07
15 Среднее отношение высоты выработки к полупролету 0,66 1,8 1,8 1,8
16 Угол наклона боковых поверхностей, град. 30-34 32-40 59-35 30-44
17 Средняя площадь попе-речного сечения, м2 0,51 0,63 0,23 0,70
18 Форма кровли Плоская Сводчатая Сводчатая Сводчатая неполностью
Одна модель была вскрыта на промежуточном этапе отработки (модель 3Г).
Выработку-модель 3Г до расчетного объема довести не удалось из-за ее разгерметизации, произошедшей на 4 этапе вследствие соединения отрабатываемой выработки с трещиной в массиве соли.
Вскрытие модели 3Г на промежуточном этапе, отработанной только на половину проектного времени создания выработки, показало, что в зоне незначительного растворения, расположенной ближайшей к устью скважины части модели (эта часть не получила еще достаточного развития и максимально удалена от точки ввода растворителя), угол наклона боковых стенок подошвы равен 590. Сечения модели отработаны полностью, имеют угол наклона боковых стенок подошвы 32-350. Полученные разные углы наклона боковых стенок подошвы модели в процессе создания выработки, показывают,
что в процессе растворения идет постоянное уменьшение угла наклона боковых стенок подошвы при увеличении высоты и пролета. Отмеченный угол наклона боковых стенок подошвы 590 не является максимальным. Очевидно, развитие боковых стенок подошвы выработки начинается от угла наклона близкого 900.
При неполном удалении воздуха уменьшилась высота выработки, изменилась форма кровли выработки модели 4 Г. Форма кровли выработки-модели 4Г характеризуется неполностью сводчатой.
При отработке модели без негативного проявления воздуха была получена «эталонная» выработка (модель 2Г). Форма горизонтальной выработки-модели 2Г и изменение концентрации при ее отработке представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 1. Форма горизонтальной выработки-модели 1Г
Фактические параметры отработки горизонтальных вырабток-моделей приведены в табл. 2.
В процессе отработки горизонтальных резервуаров-моделей ежечасно измерялись: температура воды и рассола, производительность по рассолу, плотность рассола.
Концентрация рассола, выдаваемого из выработки при периодическом перемещении положения ввода растворителя (последовательно отступающими этапами) в противоточном режиме подачи растворителя определяется по формуле [3]:
1 п
С = Сн [ 1 - ехр ( - 1,19 - X К^,)] (1)
— г=1
где СН - концентрация насыщенного раствора; К1 - коэффициент скорости растворения 1-й поверхности каменной соли; 81 - площадь 1-й поверхности; Р - производительность отбора рассола из выработки.
Концентрация рассола с учетом поправки
на температуру процесса растворения соли по отношению к «эталонной» выработке-модели определяется по формуле:
С = Сн[1 - ехр(-1,19 1 Ук,Б, Т"-250,8)] (2) бы 54,4
где Тп - температура процесса растворения соли (Тп >250,8 К).
После вскрытия модели, отмечено, что за период отработки выработки произошло плот-ностное расслоение по высоте выпавшего осадка нерастворимых включений. Угол наклона боковых стенок подошвы выработки для нижележащих участков больше, чем для вышележащих (для одной и той же модели, соответственно, 35 и 270). Поэтому при одинаковых величинах высоты и пролета этих участков, получается различная площадь поперечного сечения соответствующих участков выработки.
Используя результаты экспериментальных исследований сооружения горизонтальных выра-
Рис. 2. Форма горизонтальной выработки-модели 2Г
Рис. 3. Изменение концентрации рассола при отработке горизонтальной выработки-модели 2Г
боток с изменением месторасположения позиций ввода растворителя по длине выработки в направлении от забоя к башмаку обсадной колонны вертикально-горизонтальной скважины и отбором рассола в призабойной части выработки разработана методика определения оптимальных параметров процесса растворения при сооружении горизонтальной подземной выработки.
Рассмотрим расчет параметров подземной горизонтальной выработки для условий Подмосковного соленосного бассейна.
По данным эталонной крупномасштабной модели с помощью масштабных множителей определены параметры горизонтальной выработки, исходя из мощности соляного пласта 40 м: линейный масштабный множитель - 41, длина выработки - 280 м, пролет - 45 м, площадь поперечного сечения - 1343 м2, производительность - 255 м3/ч, объем выработки - 380 тыс. м3.
Для глубины заложения выработки 1000 м при утилизации рассола путем сброса в рассолопоглощающие подземные горизонты оптимальной оказывается производительность 200 м3/ч. При передаче рассола рассолопотребляющим
предприятиям оптимальной оказывается производительность 250 м3/ч.
Для общего активного запаса 50 млн м3 природного газа необходимо строительство подземной горизонтальной выработки геометрическим объемом 345 тыс. м3, т.е. будет достаточно одной выработки с рассмотренными выше параметрами.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по строительству горизонтальных резервуаров через две скважины: вертикально-
горизонтальную и вертикальную. Экспериментальные исследования в натурных условиях показали, что формирование горизонтального резервуара через вертикально-горизонтальную и вертикальную скважины позволяет получить равновеликие поперечные сечения сводчатой формы с равномерно распределенными различными неровностями по контору выработки.
Рассмотрен массоперенос при строительстве горизонтального подземного резервуара в маломощных пластах каменной соли через две скважины. Получены аналитические зависимости по управлению технологическим процессом отработки соли и формирования подземного резервуара. [4, 5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мазуров В.А. Подземные газонефтехранилища в отложениях каменной соли. - М.: Недра, 1982, 212 с.
2. Поздняков А.Г., Сидоров И.А., Малюков В.П., Мазуров В.А. Способ создания подземной емкости. А.с. №972893, 1980.
3. Мазуров В.А., Поздняков А.Г., Малюков В.П. Хранилища природного газа в маломощных пластах каменной соли. Транспорт и хранение газа. - М. 1979, №5, с. 36-42.
4. Maljukov V.P. Mass transfer in the zone adjacent to the contour of an underground cavern. 8th World Salt Symposium. Amsterdam. 2000. V.1 pp.291-293.
5. Малюков В.П. Формообразование горизонтальных подземных резервуаров в каменной соли. Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ. 2002, №8, с. 186-187.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Малюков В.П. - кандидат технических наук, научный сотрудник ООО «Подземгазпром».
