CC BY
26
© P.B. Бочкарева, В.Б. Сохранений, В.П. Шуетров, А.С. Хан, 2012
УДК 551:622.692.24:622.279
Р.В. Бочкарева, В.Б. Сохранений, В.П. Шуетров, А.С. Хан
ОЦЕНКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВОЗМОЖНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ШАХТНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗА НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ
Рассмотрены основные требования к горно-геологическим условиям при выборе участков для создания подземных хранилищ шахтного типа. Обоснован принцип герметизации шахтных хранилищ, основанный на превышении давления подземных вод над давлением хранимого продукта. Рассмотрено районирование России с точки зрения обеспеченности поставками газа в «пиковые» периоды. Выявлены и оценены массивы горных пород для создания хранилищ шахтного типа. Ключевые слова: шахтные хранилища, горно-геологические условия, принцип герметизации, гидравлический напор подземных вод.
В мировой практике подземного хранения углеводородов шахтные хранилища нашли широкое применение, в первую очередь для хранения различных углеводородов, и являются хорошо освоенной областью подземного строительства. Хранилища такого типа сооружаются горнопроходческим способом в различных горных породах и конструктивно представляют собой систему подземных выработок, часть из которых является собственно выработками-емкостями для углеводородов. Выработки-емкости размещаются в различных по литологии горных породах: гранитах, диоритах, габбро, гнейсах, глинистых сланцах, доломитах, известняках, мергелях, глинах, в том числе, вечномерзлых породах.
Преимущественно хранилища создаются в горных породах, обеспечивающих долговременную устойчивость выработок без применения или с минимальным применением крепей. Подземные резервуары такого типа
могут применяться для хранения ком-примированного природного газа.
Общим для всех необлицованных хранилищ является принцип герметизации, основанный на превышении давления подземных вод в породном массиве, включающем выработки-емкости над давлением хранимого продукта. Ограничения, связанные с хранением компримированного газа в необлицованных выработках, определяются необходимостью поддержания высокого гидравлического напора подземных вод в окрестности хранилища, которое, в первую очередь, зависит от глубины заложения выработок-емкостей.
В облицованных хранилищах ком-примированного газа для обеспечения прочности выработок устраивается бетонная обделка, а для обеспечения герметичности — металлоизоля-ция. В хранилищах сжиженного природного газа дополнительно сооружаются теплоизоляционные покрытия.
Хотя для облицованных хранилищ литологический состав вмещающих пород принципиального значения не имеет, во всех случаях предпочтение отдается скальным породам с высокой прочностью (гранитам, гнейсам, ок-ремнелым песчаникам, прочным карбонатным породам), поскольку в них можно создавать выработки большого сечения, что позволяет разрабатывать компактные объемно-планировочные схемы объектов.
Минимально допустимая глубина залегания горных пород, пригодных для размещения шахтного хранилища, определяется расчетом, исходя из размеров резервуара, максимального допустимого давления в резервуаре, плотности горных пород, залегающих выше его кровли и гидрогеологических условий; максимально допустимая — по технико-экономическим соображениям.
Основные требования к горногеологическим условиям при размещении подземного хранилища шахтного типа заключаются в следующем:
• при определении размеров площадок и интервала заложения шахтного хранилища следует ориентироваться на объемно-планировочные решения хранилища, обеспечивающие максимальное использование мощности и минимальное — площади вмещающей толщи пород.
• выработки-емкости хранилища следует размещать в горных породах ниже местного уровня подземных вод;
• степень обводненности породных массивов и положение местного уровня подземных вод должны отвечать условию, при котором давление воды на поверхности выработки-емкости превышает внутреннее давление продукта в выработке-емкости при постоянно или периодически действующем водоотливе;
• прочностные свойства горных пород должны отвечать условию сооружения выработок-емкостей, как правило, без применения крепи;
• допускается сооружать выработки-емкости с применением крепи в породах III категории устойчивости в соответствии со СНиП II—94—80 [1].
На значительной части территории России распространены толщи горных пород, выполняющие в гидрогеологическом разрезе роль относительных или абсолютных водоупоров, перспективных для строительства подземных хранилищ шахтного типа (рис. 1). Здесь не показаны соленос-ные бассейны, поскольку в их пределах подземные хранилища газа создаются геотехнологическим способом.
В Европейской части для создания шахтных хранилищ наиболее благоприятны древние кристаллические породы Карелии и Кольского полуострова, южная граница их выхода на поверхность проходит по северному берегу Финского залива, через Ладожское и Онежское озера к южному берегу Белого моря. Перспективны также древние кристаллические породы, залегающие в центральной части Воронежской антеклизы.
На восток до Урала достаточно широко распространены сульфатные породы. Доломито-ангидритовые породы нижней перми распространены в Среднем Поволжье. В Горьковской области (частично также во Владимирской и Ивановской областях), Чувашской и Марийской АССР доломи-тово-ангидритовая толща залегает в верхней части отложений сакмарско-го яруса, где она сложена в основном ангидритами, среди которых отмечаются прослои сильно загипсованных или ангидритизированных доломитов. Мощности толщи изменяются от 20—30 до 130 м, иногда и больше.
°айоны развития горных пород, благоприятных для строительства хранилищ шахтного типа 1-Район гг. Мурманска-Поноя (Кольский полуостров), 2- Район гг. Выборга-Петрозаводск-Пудожа, 3- Район гг. Санкт-Петербурга-Вытегры, 4 Район гг. Свирьстроя-"\рхангельска. 5- Район г Пскова. Район гг. Брянска-Белгорода, Район гг. 7- Район Гг Паапбвска-Воронежа (Воронежский щи»). 8- Район Гг. Ельца-Липецка, 9- Район гг. Москвы-Тулы, 10- Район г. Рязани. 11- Район гг. Ярославля-Владимира, 12- Район г. Кинешмы. 13-3айон Костромской области. Среднего Поволжья. Самарской и Саратовской областей. 14-Райом Верхнего и Среднего Поволжья, Район гг. 15- Район гг. Саранска-Сыэрани-Саратова, 16-Район г Калача на Дону, 17-Район гг Миллерооо-Шахт. 18-Район г. Ростова на Цону. 19- Район гг Элисты. 20- Район гг. Краснодара-Стаерополя-Грозного, 21-Район г. Новороссийска, 22- Район гг. Туапсе-Сочи, 23-Район гг. Астрахани-Махачкалы. 24-Райом г Самары. 25- Район гт Перми-Уфы, 26- Район г. Ухты. 27- Район г Печоры, 28-Район г
Области распространения горных пород, благоприятных для строительства шахтных хранилищ:
Л глины, тинистые сланцы, аргиллиты; [ п/ известняки, мергели; I I ангидриты, гипсы, доломиты; I ] изверженные, эффузивные или метаморфические породы;
Рис. 1. Схема распространения толщ горных пород для строительства шахтных хранилищ на территории России
Доломито-ангидритовая толща в Среднем Поволжье играет роль регионального водоупора, отделяющего допермские и ассельский водоносные горизонты от верхнепермских и мезозойских отложений. Водопроявления внутри самой толщи при бурении, как правило, не отмечаются. В Татарской АССР, Куйбышевской области и северо-восточной части Саратовской области доломито-ангидритовые породы залегают в нижней части отложений сакмарского яруса. Здесь мощность толщи достигает 60—70 м, а глубина залегания изменяется от 80—100 м в северных районах республики до 204 м на западе и 300—350 м на юго-западе.
Среди пород кунгурского яруса Пермской области и северных районов Башкирии региональным водоупором является иренский горизонт, в составе которого выделяются несколько пачек, одни из которых преимущественно сульфатные, а другие карбонатные. Наиболее перспективной является верхняя (лунежская) пачка, распространенная в северных районах Башкирии и почти по всей Пермской области за исключением наиболее восточных районов, где она размыта.
В южной части Куйбышевской и северо-восточной части Саратовской областей разрез иренского горизонта представлен, в основном, ангидритами, мощность которых возрастает в юго-восточном направлении от 60—80 м до 150 м, а минимальная глубина залегания составляет 100—110 м. Эти породы, практически, не обводнены, и представляют собой региональный во-доупор, а на некоторых площадях служат покрышкой для нефтегазовых залежей в нижележащих отложениях.
Еще одним перспективным стратиграфическим комплексом в описываемом районе являются породы гидрохимической свиты казанского яруса верх-
ней перми. Они занимают обширные площади на востоке и юго-востоке Куйбышевской области и в северных районах Оренбургской области, захватывая также небольшую часть территории Башкирской АССР и район г. Ме-лекесс Ульяновской области.
В центральной части европейской территории (Московская, Калужская, Тульская и Рязанская области) сульфатные образования приурочены к более древним отложениям озерской толщи нижнего карбона. На большей части площади они состоят из доломитов, доломитовых мергелей с подчиненными прослоями ангидритов, гипсов, глин и известняков.
В Вологодской и Кировской областях распространена гипсо-ангид-ритовая толща сакмарского яруса нижней перми. Здесь она представлена гипсами и ангидритами с подчиненными прослоями доломитов. Мощность толщи составляет 28—55 м, а глубина залегания 100—300 м.
Вообще сульфатные породы развиты, как правило, во всех соленосных бассейнах, где могут оказаться перспективными (как и отложения каменной соли, залегающие в пределах приемлемых глубин) для заложения шахтных хранилищ.
На западе России распространена глинистая доломито-мергелистая толща наровских слоев среднего девона. Она представлена преимущественно доломитами и доломитовыми мергелями с некоторой примесью алевритового материала. Глины присутствуют в подчиненном количестве в верхней части разреза. Мощность наровских отложений колеблется от 16 до 153 м, увеличиваясь в сторону Московской синек-лизы. Наровские слои на обширных площадях являются относительным региональным водоупором.
На различных площадях европейской территории России развиты кар-
бонатные и карбонатно-глинистые породы, локальные участки которых при достаточной мощности и приемлемой глубине залегания могут быть использованы для создания подземных хранилищ. Так, в Ульяновской, Саратовской и Пензенской областях с этой целью могут рассматриваться мело-мергеле-вые породы кампанского и маастрихтского ярусов верхнего мела.
На ряде обширных площадей, где отсутствуют устойчивые породы, перспективными отложениями являются глины различного возраста.
На северо-западе европейской части (Ленинградская и Архангельская области) распространена, например, толща синих глин нижнего кембрия. Она сложена пластичными глинами с характерной ленточной слоистостью. Мощность пачки чистых глин в разрезе толщи составляет 20-60 м, глубина залегания кровли чистых глин в разрезе толщи составляет 20—60 м, глубина залегания кровли в северных районах указанных территорий - от первых десятков метров до сотен. Толща синих глин является региональным водоупором. Непосредственно над ними залегает кембро-ордовикский водоносный комплекс умеренной водообильности, а под ними - напорные воды нижнего кембрия или протерозоя.
Глины юрского возраста распространены на правобережье среднего и нижнего течения Волги и в Саратовском Заволжье, где мощность их составляет около 60 м.
В Азиатской части России наибольший интерес с точки зрения строительства шахтных хранилищ, представляют массивы изверженных пород (главным образом, гранитоидов), пользующиеся широким распространением. Массивы гранитоидов различного возраста развиты на Урале (в том числе в районах г. Екатеринбурга и г. Челябинска), вдоль Транссибирской железнодорожной ма-
гистрали (в Забайкалье, в районах городов Новосибирска, Красноярска, Хабаровска, Владивостока и др.), по трассе БАМа; вдоль побережья Японского моря.
На территории Западной Сибири, где в пределах глубин, приемлемых для строительства хранилищ, отсутствуют устойчивые породы, перспективными отложениями являются плотные глины люлинворской и чеганской свит палеогена, которые в гидрогеологическом разрезе выполняют роль региональных водоупоров [2]. В южной и юго-восточной частях Западно-Сибирской низменности (в том числе в районах г. Омска и г. Павлодара) они имеют мощности от нескольких десятков метров до 150 м и глубины залегания от первых десятков метров до сотен.
В практике подземного резервуаро-строения для хранения природного газа шахтные резервуары применяются весьма редко. Прежде всего, это связано с их неконкурентоспособностью по сравнению с хранилищами комприми-рованного природного газ в пористых структурах и в каменной соли. Широкое применение последних обусловлено тем, что в качестве ограждающих конструкций, обеспечивающих хранение продуктов без потерь, используются естественные геологические и гидрогеологические формации, создание резервуаров в которых не требует специальных затрат на герметизацию, а подземное строительство объектов не связанно с пребыванием под землей людей, т.е. они создаются по безлюдным технологиям. В связи с вышеизложенным, размещение шахтных хранилищ ограничено территориями, где имеется потребность в резервировании углеводородов, но, как правило, отсутствуют условия создания хранилищ других типов: например, в странах Скандинавии, в Чехии, Эстонии, в отдельных районах США, Канады, Франции.
B Poccии coздaнa и paзвивaeтcя Eдинaя cиcтeмa гaзocнaбжeния (ECГ). Oдним из вaжнeйшиx элeмeнтoв та-дeжнoгo фyнкциoниpoвaния ECГ яв-ляютcя пoдзeмныe xpaнилишa гaзa. Oни cocpeдoтoчeны в ocнoвныx paйoнax пo-тpeблeния rasa и вдoль экcпopтныx пo-тoкoв, peгyлиpyют ceзoннyю нepaвнo-мepнocть пoтpeблeния, cнижaют пиш-выe нaгpyзки в ECT, cтpaxyют oт пo-cлeдcтвий нeштaтныx cитyaций.
Oднaкo, нecмoтpя нa выоэкую cre-пeнь paзвития ПXГ, в Poccии cyreecr-вуют peгиoны c нeдocтaтoчнoй oбecпe-чeннocтью в мoшнocтяx пoдзeмныx ra-зoxpaнилиш. Пpeждe вceгo, нeoбxoди-мo нaзвaть Ceвepo-зaпaдный, Шн-тpaльный и Уpaльcкий perиoны [S, 4].
С тoчки зpeния paзвития пoдзeмныx гaзoxpaнилиш paзличнoгo типa та тep-pитopии coвpeмeннoй Poccии та зaпaдe и вocтoкe arpa^i cлoжилиcь paзличныe cитyaции кaк в oтнoшeнии paзвития ra-зoтpaнcпopтнoй шагемы, тaк в чacти гeoлoгичecкиx пepcпeктив cтpoитeльcтвa oбъeктoв пoдзeмнoгo xpaнeния.
Ocнoвнaя чacть eвpoпeйcкoй тeppи-тopии Poccии pacпoлaгaeтcя в пpeдeлax Bocтoчнo-Eвpoпeйcкoй плaтфopмы, пpeдcтaвлeннoй мoшнoй тoлшeй oca-дoчныx пopoд paзличнoгo вoзpacтa. Здecь в гидpoгeoлoгичecкoм paзpeзe выдeляeтcя знaчитeльнoe кoличecтвo пpиpoдныx peзepвyapoв и oтpaбoтaн-ньк мecтopoждeний, cлoжeнныx пo-pиcтыми плacтaми c вышкими кoллeк-тopcкими cвoйcтвaми, пepeкpытыми плacтaми — вoдoyпopaми, кoтopыe мo-гут cлyжить пoкpышкaми ПXГ. Kpoмe тoгo, бoльшинcтвo coлeнocныx бacceй-нoв Poccии, гдe вeдeтcя и пpoeктиpyeт-cя cтpoитeльcтвo ПXГ в кaмeннoй coли, pacпoлaraютcя здecь œe.
Уcлoвия coздaния ПXГ в пopиcтыx cтpyктypax и кaмeннoй coли oтcyтcтвy-ют тольш в зaпaдныx и ceвepo-зaпaдныx кpaeвыx и пpибopтoвыx чac-тяx Bocтoчнo-Eвpoпeйcкoй плaтфopмы.
Пo cвoим тexничecким ocoбeннo-cтям шaxтныe xpaнилишa гaзa пpe-имyшecтвeннo пикoвыe. Ecли pac-cмaтpивaть paйoниpoвaниe Poccии пo Фeдepaльным oкpyгaм c тoчки зpeния oбecпeчeннocти пocтaвкaми гaзa в пиюэвый пepиoд (пepиoды мaкcимaль-нoгo пoxoлoдaния), тo нaибoлee нe-oбecпeчeнным oкpyгoм в Eвpoпeй-cкoй чacти являeтcя Ceвepo-Зaпaдный в цeлoм, a тaкжe Bopoнeжcкaя и Ли-пeцкaя oблacти Цeнтpaльнoгo oкpyгa [S, 4].
Пoтeнциaльнo вaжнoй пpeдcтaвля-eтcя вoзмoжнocть coздaния шaxтн^Ix ПXГ в paйoнax ceвepнee C-Пeтepбypгa и нa Koльcкoм пoлyocтpoвe, гдe paзви-тoлькo дpeвниe кpиcтaлличecкиe пopoды. Ceйчac yœe нaчaлocь cтpoи-тeльcтвo cyxoпyтнoгo yчacткa Ceвepo-Eвpo-пeйcкoгo гaзoпpoвoдa для экc-пopтныx пocтaвoк гaзa в Eвpoпy, што-pый пpoйдeт пo Boлoгoдcкoй и Лeнин-гpaдcкoй oблacтям дo пoбepeжья Фин-cкoгo зaливa (pиc. 2).
Здecь для oбecпeчeния нaдeжнocти гaзoпpoвoдa нa кoнцeвoм cyxoпyтнoм yчacткe цeлecooбpaзнo coздaниe raзo-xpaнилишa. Ha 2011 год плaниpyeтcя нaчaлo ocвoeния Штoкмaнoвcкoгo мe-cтopoждeния, pacпoлoжeннoгo в шн-тpaльнoй чacти шeльфa poccийcкoгo ce^^pa Бapeнцeвa мopя. B^Ixoд raзo-пpoвoдa нa cyrny и coздaниe тepминaлa нaмeчeнo в paйoнe Mypмaнcкa, rae мo-гут пoнaдoбитьcя пopтoвыe гaзoxpaни-лишa (pиc. S).
B Aзиaтcкoй чacти Poccии, Уpaль-cкий и Зaпaднo-Cибиpcкий oкpyги, пo кoтopым пpoxoдит вocтoчнaя вeтвь ECГ, в mcrc^ee вpeмя нe иcп^Iт^Iвaют дe-фицита пикoвoгo raaa [2]. Kpoмe тoгo, в Пpeдypaльe имeютcя мoшныe зaлeжи кaмeннoй coли, a в Зaypaльe cyшecтвyют пepcпeктивы coздaния ПXГ в пopиcтыx cтpyктypax нa тeppитopии Зaпaднoй Cибиpи и oднo ПXГ этого тита yжe coз-дaнo.
Рис. 2. Сухопутный участок Северо-Европейского газопровода
Рис. 3. Выход газопровода на сушу (район г. Мурманска)
По трассе ЕСГ для повышения надежности снабжения пиковым газом наиболее крупнык сибирских городов Новосибирска и Красноярска перспективными для создания шахтнык хранилищ являются гранитные массивы, расположенные в непосредственной близости от этих населенный пунктов.
Новые задачи стоят перед подземным хранением при реализации программы освоения углеводородных месторождений Восточной Сибири и Далынего Востока и развитии ЕСГ в восточном направлении. Создание газотранспортной системы в этих регионах будет способствоваты их социалыно-экономическому развитию, а также развитию экспорта газа в Китай, Японию и Корею.
Здесы, в пределах Иркутского амфитеатра вплоты до Ёенска на севере, размещается крупнейшей в мире соленос-ный бассейн, и проблемы хранения газа на этой территории могут быты полно-стыю закрыты созданием хранилищ в каменной соли.
Далее, при прохождении магист-ралыного газопровода по той же трассе, что и нефтепровод «Сибиры — Тихий океан» вплоты до района Владивостока, где будет заканчиваться Российский участок газовой трассы, каменные соли отсутствуют, а пористые структуры мо-
1. СНиП 11-94-80 «Подземные горные выработки».
2. Исследование возможности размещения подземных хранилищ нефтепродуктов на территории Российской федерации. Отчет о научно-исследовательской работе (заключительный). — М., 1994.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
гут быть выявлены только в относительно некрупных наложенных впадинах в кристаллическом фундаменте. Здесь крупные потребители газа отсутствуют. Потенциальная потребность в ПХГ рассматривается в районах Благовещенска, Хабаровска и Владивостока. Перспективы поисков пористых структур под ПХГ имеются только в районах Благовещенска (Зее-Буреинская впадина) и Хабаровска (Средне-Амурская впадина). В районе Владивостока небольшая Суйфонская впадина не имеет перспектив с точки зрения подземного хранения в пористых структурах. Остальная часть Амурской области и Приморского края сложена кристаллическими, преимущественно, изверженными и метаморфическими породами, в которых строительство ПХГ возможно только шахтным способом.
Исходя из вышеизложенных соображений, в качестве территорий, которые могут представлять интерес для размещения шахтных хранилищ компримиро-ванного и сжиженного природного газа, являются осадочные и кристаллические породы Ленинградской, Мурманской, Псковской, Белгородской, Орловской и Воронежской областей и кристаллические породы вблизи гг. Новосибирска, Красноярска и в районе Владивостока-Находки (см. рис. 1).
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Будзуляк Б. В. Перспективы развития ЕСГ ОАО «ГАЗПРОМ». Материалы конференции иСБ2008. - М.: ВНИИгаз.
4. Хан С.А. ПХГ в России: настоящее и будущее. Материалы конференции иС52008. - М.: ВНИИгаз. Н2Е
Бочкарева Р.В., Сохранений В.Б., Шустрое В.П. - Подземгазпром. Хан А.С. - Газпром.
а
