Особенности оттаивания многолетнемерзлых пород при создании скважинных подземных резервуаров

Хрулев Александр Сергеевич; Савич Олег Игоревич; Карпухин Алексей Николаевич; Шергин Денис Владимирович; Гридин Олег Михайлович

УДК 622.227:622.232.5

А.С. Хрулев, О.И. Савич, А.Н. Карпухин,

Д.В. Шергин, О.М. Гридин

ОСОБЕННОСТИ ОТТАИВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИ СОЗДАНИИ СКВАЖИННЫХ ПОДЗЕМНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

Приведены уравнения, описывающие эмпирические зависимости скорости оттаивания боковой поверхности образцов от температуры воды для мерзлого песка, суглинка и льда, описаны особенности их теплового разрушения и предложения по применению полученных результатов на производстве.

Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, подземный резервуар, скорость

оттаивания, тепловое разрушение.

Я а территории Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (полуостров Ямал) в последнее время были построены три подземных резервуара объемом от несколь-

3

ких сотен до пяти тысяч м через скважину, пробуренную с поверхности в отложениях мерзлого песка, песчаноглинистых пород и льда. Опыт строительства этих резервуаров показал, что при равном количестве тепла, подаваемого на оттаивание мерзлых пород, производительность оттаивания зависит не только от содержания льда, но и от состава и структуры мерзлых пород. Так, при размыве подземного резервуара в многолетнемерзлых песчаных породах она составила 10-15 м3/час, в песчаноглинистых отложениях 5-10 м3/час, в подземном льду 3-4 м3/час.

Так как интервал строительства представлен породами с различной скоростью оттаивания, то знание скоростей теплового разрушения пород позволит корректировать форму и уточнять время создания подземного резервуара.

Целью данных исследований являлось определение особенностей тепло-

вого разрушения многолетнемерзлых осадочных пород и льда, а так же получение зависимостей скорости оттаивания многолетнемерзлых пород и льда от температуры теплоносителя.

В подземных резервуарах имеют место температуры воды в диапазоне от 0 °С до 10 °С. Поэтому существующую методику определения скорости теплового разрушения многолетнемерзлых пород при фиксированной температуре необходимо было расширить с целью получения зависимостей скорости оттаивания боковой стенки от температуры жидкости.

Исследования проводились на искусственных образцах цилиндрической формы диаметром до 80 мм и высотой 100 мм, создаваемых из мелкозернистого песка и суглинка, отобранных на Бо-ваненковском месторождении. Образцы замораживались при температуре -5 -

8оС и размещались в емкости с водой различной температуры. Значение температуры воды во время каждого эксперимента поддерживалось на заданной величине и фиксировалось с заданным интервалом.

Температура воды, °С

Рис. 1.Зависимость скорости оттаивания мерзлой породы от температуры воды: 1 - песок, 2 - суглинок, 3 - лед

Рис. 2. Процесс оттаивания песка(1), суглинка(2) и льда(3)

На рис. 1 приведены эмпирические зависимости скорости оттаивания боковой поверхности образцов от температуры воды для мерзлого песка, суглинка и льда. В диапазоне температур ї от +1 °С до +10 °С эти зависимости могут быть описаны линейными уравнениями: для мерзлого песка = 0,08 • ї, м / час для мерзлого суглинка

о^ = 0,01 • /, м / час для льда

о* = 0,0044 • /, м / час .

Скорости оттаивания при постоянной температуре воды для образцов мерзлого песка, суглинка и льда относятся соответственно как 1 : 1/8 : 1/18.

Такое различие в скорости оттаивания объясняется движением твердых частиц в пограничном слое, вызывающем его турбулентность и активизирующем теплообмен воды с мерзлой поверхностью. На рис. 2 показан процесс оттаивания образцов песка, суглинка и льда.

Интенсивное движение частиц песка вдоль мерзлой поверхности обеспечивает более высокую скорость теплового разрушения за счет образования конвективного турбулентного потока. Оттаивание суглинка происходит с выпадением мелких глинистых чешуек, обладающих меньшей гидравлической крупностью, и незначительно повышающих турбулентность в пограничном слое. При тепловом разрушении мерзлых суглинков оттаивание сопровождается также отрывом единичных крупных кусков, несмотря на то, что при приготовлении образца суглинки были тщательно растерты и перемешены с водой до однородной консистенции. Этот эффект связан с текстурой суглинка, образующейся в процессе его промерзания. Вследствие сцепления между глинистыми частицами происходит образование оттаявшей оболочки на образце суглинка, играющей роль

Рис. 4. Форма песчаного образца с про-пластками суглинка после оттаивания

0,8

Содержание глинистых частиц в смеси, %

1

Рис. 3. Зависимость скорости оттаивания песчаноглинистых образцов от содержания глинистых частиц при температуре воды +80С.

ка, играющем роль теплоизолятора, что в свою очередь так же замедляет его оттаивание. Наименьшая скорость движения воды в пограничном слое отмечается при таянии льда, поэтому скорость перемещения вертикальной стенки ледяного образца минимальна.

Затраты тепла на оттаивание мерзлого песка, суглинка и льда зависят от содержания льда в образцах и примерно соответствуют расчетным величинам. Так удельные затраты тепла для мерзлого песка с влажностью 40 %, суглинка с влажностью 50 % и льда составили соответственно 132 МДж/м3, 165 МДж/м3 и 300 МДж/м3. При строительстве подземного резервуара с использованием для теплового разрушения мерзлых пород передвижной парогенераторной установки, производительность по пару которой 1 т/час или 2260 МДж/час, с учетом потерь тепла при транспорте пара, нагреве мерзлых пород, таянии льда и передачи тепла в окружающий массив,

максимальная производительность по оттаиванию составит для мерзлого песка 9,1 м3/час, суглинка 7,3 м3/час и льда 4 м3/час. Данные значения производительности могут быть достигнуты при минимальной площади боковой поверхности подземного резервуара в мерзлом песке 25 м , в суглинке 146 м2 и во льду 308 м2 и средней температуре воды в подземном резервуаре +5 0С, что соответствует примерному объему подземного резервуара соответственно 5 м, 183 м3 и 877 м3.

Таким образом, для расчета времени размыва подземного резервуара заданного объема необходимо учитывать затраты времени на достижение максимальной производительности оттаивания, соответствующей произведению площади активной боковой поверхности на скорость оттаивания при определенной температуре воды в подземном резервуаре. Дополнительное время размыва с учетом скорости оттаивания многолетнемерзлых пород для песка составит менее одного часа, для суглинка около 24 часов, для льда около 9 суток.

На Бованенковском месторождении продуктивная толща многолетнемерзлых пород, в которой ведется строительство подземного резервуара, представлена песком, супесью и переслаиванием песка и суглинка.

Исследования показали, что скорость теплового разрушения глинистого песка определяется содержанием глинистых частиц (рис. 3) и может быть выражена зависимостью ус = (0,08 - 0,07 • с) • /, м / час,

где и температура воды, оС, с- содержание глинистых частиц в долях единиц.

При слоистой структуре многолетнемерзлых пород происходит замедление скорости оттаивания песчаных пропласт-ков, и, в конечном счете, скорость перемещения боковой стенки подземного резервуара будет определяться скоростью оттаивания суглинка (рис. 4).

Так как продуктивный слой представлен породами с различной скоростью оттаивания, то знание скоростей теплового разрушения пород позволит корректировать форму создаваемого подземного резервуара.

Выводы

1. Затраты тепла на оттаивание песка, супеси, суглинка и льда определяются главным образом содержанием льда в многолетнемерзлой породе и площадью поверхности.

2. При подаче в подземный резервуар 1 т/час пара максимальная производитель-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------

ность оттаивания песка, суглинка и льда составит соответственно 9,1, 7,3 и 4 м3/час.

3. Скорость оттаивания боковой поверхности многолетнемерзлых пород линейно зависит от температуры воды в интервале от +1 0С до +100 С. При температуре воды +5 0С скорость оттаивания мерзлого песка, суглинка и льда соответственно составляет 0,4 м/час, 0,05 м/час, 0,022 м/час.

4. При размыве подземного резервуара в суглинках и льдах необходимо учитывать затраты времени, за которое достигается максимальная производительность оттаивания, в результате увеличения площади боковой поверхности подземного резервуара.

5. Скорость оттаивания мерзлых песчано-суглинистых пород определяется содержанием в ней глинистых частиц, а при чередовании слоев песка и суглинка - скоростью оттаивания суглинка. ШИН

Хрулев Александр Сергеевич - доктор технических наук, начальник отдела технологических проблем подземного хранения в многолетнемерзлых породах, Подземгазпром, a.khrulev@podzemgazprom.ru,

Савич Олег Игоревич - кандидат технических наук, заместитель начальника отдела технологических проблем подземного хранения в многолетнемерзлых породах, Подземгазпром, o.savich@podzemgazprom.ru)

Карпухин Алексей Николаевич -научный сотрудник, Подземгазпром,

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

Гридин Олег Михайлович - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Текст научной работы на тему «Особенности оттаивания многолетнемерзлых пород при создании скважинных подземных резервуаров»