CC BY
142
ПРОБЛЕМЫ СКВАЖИННОЮ і
геотехнологии:
П
одземные хранилища в каменной соли
В последние годы в мировой практике резервуаростроения широкое распространение получили подземные хранилища природного газа (ПХГ) и продуктов его переработки (сжиженные газы, этан, этилен и т.д.), нефти и нефтетоплив, сооружаемые в отложениях каменной соли, что обусловлено их высокими технико-экономическими показателями по сравнению с другими типами подземных хранилищ.
Все существующие в мире подземные резервуары расположены в соляных толщах, залегающих как правило, в диапазоне глубин 300-1400 м. Теоретические расчеты показывают, что максимально возможная глубина заложения подземных резервуаров не превышает 3000 м. [1].
Высокие прочностные характеристики каменной соли, ее практическая непроницаемость позволяет создавать герметичные подземные резервуары значительного единичного объема (до 200 и более тыс.м3), в которых газ может храниться под значительным избыточным давлением. В зависимости от глубины заложения подземного резервуара (ПР), большинство месторождений каменной соли залегают на глубинах 400-1500 м, избыточное давление газа в них может достигать соответственно 7,0-25,0 МПа Возможно размещение в единичной подземной полости до нескольких десятков миллионов м3 газа. Общий объем газа в подземном хранилище при сооружении ряда подземных резервуаров может достигать сотен миллионов
м . Это позволяет применять их для резервирования газоснабжения не только отдельных потребителей, но и крупных экономических районов. [2]
Ведущие позиции по строительству ПХ в солях занимают такие страны, как США, Германия, Франция, Канада, Великобритания.
Широкое распространение месторождений каменной соли на территории нашей страны, во многих случаях совпадающих территориально с газодобывающими районами, создает предпосылки для создания ПХ, предназначенных для сохранения получаемых резервов. [2]
Известно, что нефть и газ позволяют удовлетворить наибольшую
часть наших потребностей в энергии. Сезонные колебания потребления, возможные непредвиденные ситуации и перебои в газоснабжении и нефте-снабжении требуют создания значительных запасов.
Подземное хранилище (ПХ) позволяет создать чрезвычайно крупные запасы, а значит, представляет собой экономически рентабельное решение, надежное и экологически чистое.
Подземные хранилища с успехом широко используются во всем мире. Так например, на сегодняшний день во Франции находится 23 подземных хранилища, из которых 14 - природного газа (из них 11 созданы в водоносных горизонтах и 3 в соляных пластах) и 9 - нефтепродуктов (5 находятся в искусственных кавернах, созданных в твердых породах, а 4 - в соляных полостях).
Залежи соли, при условии, что их толщи в подземных недрах значительны, представляют собой материал крайне благоприятный для создания подземного хранилища, благодаря
своей непроницаемости и хорошим физико-механическим свойствам. Кроме того, технология создания полостей путем выщелачивания является экономически выгодной, а значит, такие хранилища являются еще более целесообразными, причем для любых видов продуктов: жидких углеводородов, сжиженного попутного нефтяного газа, природного газа, сжатого воздуха, отходов и пр.
Технология создания ПХ в каменной соли
Технология создания подземных хранилищ в каменной соли достаточно проста. Через скважину, типа нефтяной, с поверхности подается и циркулирует в солевой толще пресная вода (производительностью 200 м3/час). Вода насыщается солью и затем подается на поверхность в наземные рас-солохранилища; таким образом, полость постепенно увеличивается. Расчет объема созданной подземной полости производится при помощи ежедневного солевого баланса, исходя из полученной плотности и расхода производимого рассола. Изменение формы полости контролируется путем изменения положения трубы выщелачивания и трубы поднятия рассола на поверхность.
В процессе подземного растворения каменной соли под действием сил гравитации происходит стратификация рассола по высоте, которая приводит к преимущественному развитию верхней части выработки-емкости [3].
Растворение соли в прикровель-ной области полости (в потолочине) ограничивается инертной перемычкой, роль которой выполняет нерас-творитель (в данном случае это дизельное топливо, находящееся во внешнем затрубном пространстве).
Регулярно производимые замеры при помощи ультразвука (гидролокатором) позволяют проверить соответствие полученной формы техническим требованиям, составленным с учетом стабильности и герметичности.
Пресная вода для промывки подается из близлежащих водоемов или водоносных горизонтов.
Полученный кондиционный рассол (вода насыщенная солью до концентрации 320 г/л) подается на хим-предприятие, а некондиционный рассол (с концентрацией меньше 320 г/л)
сбрасывается через поглощающие скважины в водоносный горизонт.
Герметичность ПХ в каменной соли
При строительстве и эксплуатации подземных хранилищ в каменной соли основными задачами являются сохранность хранимого продукта и возможность контроля за экологической нагрузкой в районе предприятия. Создаваемые в солях полости-выработки должны быть надежными и герметичными, т.е. иметь устойчивую форму. Это может быть осуществлено при условии строгого контроля за герметичностью подземных резервуаров.
[4].
Герметичность подземного хранилища в каменной соли зависит от ее свойств, тектоники, гидрогеологии, карстовых явлений, присутствия посторонних включений.
Специфической и наиболее характерной особенностью солевых формаций является их способность растворяться в воде, что позволяет вести добычу рассолов методом выщелачивания через буровые скважины. Вместе с тем, несмотря на казалось бы уникальную способность солевых пород растворяться в воде, они существуют в течение длительных геологических промежутков времени. Широкая распространенность соляных пород на земном шаре свидетельствует в пользу того, что эти деформации устойчивы в своем обычном состоянии и только в исключительных случаях могут подвергаться интенсивному разрушению. Галитовые породы несовместимы с мигрирующими водами, но сами содержат достаточно большое количество воды, которая в виде рассолов присутствует во включениях различного масштаба.
Соляные породы являются осадочными породами неорганического происхождения, главными представителями которых являются каменная соль, ангидрит и гипс. Большинство соляных пород мономинеральны, т.е. это скопления какого-либо из одного минёралоанр[]стью соляных формаций является их высокая экранирующая способность. С одной стороны, каменная соль имеет поры, легко выщелачивается, подвергается воздействию карстовых явлений, а с другой стороны, соленосные толщи служат надежными нефтегазоводоупорами, выполняя роль экрана.
Благодаря большой пластичности галоидных солей микротрещины и пустоты «залечиваются» и замыкаются при небольшом давлении 30^50 атм. В неразгруженных солевых формациях поры и трещины в основном замкнуты и порода является практически непроницаемой.
Каменная соль (минерал галит) встречается в виде больших залежей самых различных геологических формациях. В основном каменная соль (75^98 %) состоит из галита (№С1). К числу наиболее распространенных растворимых примесей каменной соли относятся [6]:
• Карналит - КС1 • MgCl2 • 6Н20
• Каинит - КС1 • MgSO4 • 3Н20
• Сильвин - КС1 • NaC1
Нерастворимые включения каменной соли преимущественно состоят из:
• Аргиллита - сцементированных глин состава: SiO2 (30-70%), А1203 (10-40%), Н20 (5-10%) с примесью Fe2Oз, TiO2, СаО, MgO, МпО и др.
• Ангидрита - CaSO4 с примесью SiO2, Fe2Oз, MgO, А12О3.
• Доломита - Ca[Mg(CO3)2] с примесью глин и известняка.
• Известняка - СаС03
Каменная соль, наряду с высокой пластичностью, обладает высокими прочностными свойствами. Физикомеханические свойства галоидных пород позволяют создавать в каменной соли крупные камеры, не требующие дополнительных креплений, используя метод растворения пород или метод подземного взрыва. [2]
Отмечено, что реологические свойства каменной соли проявляются при напряжениях превышающих 20 % от прочности при одноосном сжатии. При этом предел упругости не зависит от вида напряженного состояния и суммы главных напряжений.
При повышении давления и температуры каменная соль становится очень пластичной.
Теплопроводность каменной соли имеет наибольшую величину по сравнению с другими горными породами.
Возможные места негерметич-ности ПР
Методики определения герметичности позволяют оценить целостность созданного ПР в каменной соли и дать его качественную, а главное количественную характеристику герметичности. Для того что бы разработать
эффективную методику необходимо спрогнозировать и определить наиболее вероятные места утечек хранимого продукта в ПР.
Под «утечкой» понимается часть продукта потерянного при хранении, связанная с постоянной или временной негерметичностью ПР.
Потенциальными местами утечек могут являться:
• Оголовок технологической (эксплуатационной) скважины и ее обвязка.
• Технологическая (эксплуатационная) скважина.
• Сам ПР (выработка емкость образовавшаяся в каменной соли).
Должное внимание надо сосредоточить на определении герметичности самой технологической скважины. То есть на целостности обсадной колонны и цементного камня затрубного цементажа, а так же месту контакта зацементированного участка скважины с поверхностью каменной соли ПР, так как возможны утечки в вертикальном направлении по контакту «цементный камень-соль-горная порода».
Утечки на оголовке скважины и в ее обвязке возможны по следующим причинам: негерметичность используемых задвижек, продуктового или рассольного трубопровода, использование различных приборов допускающих утечки через них продукта и в итоге не-герметичность самого оголовка скважины.
Данные нарушения можно устранить путем применения соответствующего технологического оборудования, удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям, с запасом по надежности, повышения качества производства работ, своевременным контролем и обслуживанием всего комплекса оборудования.
Утечки в технологической скважине возникают вследствие: использования газонегерметичных (треугольных, трапециевидных) резьб ОТТМ вместо газогерметичных ОТТГ, недоворота колонн при соединении их между собой, преждевременной коррозии колонн, некачественного цементажа затрубного пространства (образо-вание грифонов). Как следствие возможен переток между колоннами скважины и утечки продукта через обсадную колонну в недра.
Межсезонные перепады, отражающиеся на температуре подаваемой воды в скважину, приводят к деформациям обсадных и подвесных колонн скважины, а как следствие к нарушению их целостности, появлению зазоров в местах их соединения и образованию повышенной микротрещиноватости в цементном камне за-трубного пространства. Все это может являться потенциальными местами утечек продукта.
Существует множество причин возникновения подобных ситуаций, ими могут являться как человеческие, так и природные факторы.
Утечки в подземном резервуаре - ПР, созданный в пласте каменной соли, предполагается, по своей сути, достаточно герметичным для хранения в нем продукта. Каменная соль по своим характеристикам является непроницаемым веществом, пригодным для создания в ней хранилища газа или жидкого нефтепродукта. Полость, созданная в пласте каменной соли, так же является герметичной и утечки здесь могут быть только временные или кратковременные, при этом имеется ввиду единоразовое заполнение слепых трещин в массиве каменной соли. Если же трещины не являются слепыми и связывают ПР с выше- или нижележащими горными породами, то ПР не может быть применен в качестве хранилища, так как утечки неизбежны. В такой ситуации необходимо, если это возможно, применение специальных мер по устранению не-герметичности ПР.
Возможно наличие нерастворимых или быстрорастворимых пропла-стков в массиве каменной соли, которые могут так же являться коллекторами для хранимого продукта. Обнаружить такие пропластки, на стадии геологоразведки, не представляется возможным в полной мере, вследствие причудливых форм их залегания.
Испытывать скважину необходимо той средой, которую предполагается хранить для получения реальной картины герметичности. Возможно применение других сред с большей проникающей способностью, но они не дадут всеобъемлющей картины. Для них скважина может быть негерметична (вследствие их высокой проникающей способности), а для хранимого продукта - достаточно герметичной.
Важная проблема заключается в определении срока выдержки ПР после окончания его строительства до начала проведения испытаний на герметичность. Срок применения методик ограничен периодом выстаивания ПР до установления относительного равновесия всех термобарических процессов, происходящих внутри самого ПР (подрас-творение, теплообмен, конвергенция и т.д.).
Термобарические процессы в
ПР
Рассмотрим процессы, происходящие в ПР в первое время после его создания. Как уже было сказано, в первый период после создания ПР в нем активно происходит целый комплекс термобарических процессов. Рассмотрим наиболее важные из них.
Конвергенция ПР, возникающая вследствие действия горного давления на созданную выработку-емкость в пласте каменной соли. Чем глубже расположение ПР, тем большее противодавление в нем следует создать для обеспечения его необходимой устойчивости.
Следует учесть, что соль - это пластическая горная порода, которой свойственны пластические деформации, увеличивающиеся с ростом давления (ползучесть соли).
Имеет место теплообмен закачанной воды, а затем рассола с пластом каменной соли. Известно, что температура пород увеличивается с ростом глубины их залегания. Так для пластов каменной соли, залегающих обычно на глубинах от 400 до 1500 м, характерна температура порядка 15-32 °С, а температура закачиваемой воды изменяется в пределах 4-18 °С вследствие межсезонных перепадов температуры, т.к. воду на размыв ПР обычно берут из наземных водоемов или из водозаборных скважин.
Вследствие увеличения температуры рассола происходит увеличение его объема, что приводит к увеличению давления в ПР. В свою очередь увеличение давления повышает порог растворяемости каменной соли и растворение в ПР усиливается.
Насыщение рассола происходит медленно и неравномерно. Соль, будучи тяжелее воды, выпадает в осадок. Концентрация в ПР увеличивается от кровли выработки к ее днищу. Следует отметить, что и сам эндотермический
процесс растворения каменной соли происходит с поглощением температуры, что так же не может не сказаться на термобарическом балансе системы. За счет насыщения рассола происходит увеличение первоначального объема ПР и падение первоначального уровня рассола, что в свою очередь вызывает падение давления.
Как видно из выше сказанного, в ПР происходит множество взаимосвязанных термобарических процессов, которые постепенно затухают во времени с разной скоростью. Все их необходимо учитывать при разработке методов определения герметичности ПР в каменной соли, так как они оказывают большое влияние на точность проводимых при испытаниях измерений.
Разработка новых методик
Необходимо разработать такую методику которую можно было бы применить через минимальный срок выстаивания ПР. Однако процессы, происходящие внутри ПР, уравновешиваются довольно длительное время. Следовательно, чем больше время выстаивания ПР, тем точнее картина измерений, полученная при испытаниях на герметичность. Однако существует такой оптимальный срок выдержки ПР, в течение которого процессы, происходящие внутри ПР, уравновесятся в достаточной мере для того, чтобы дать достаточно достоверную картину при испытаниях. Этот срок для каждого метода испытаний различен. Необходимо установить зависимость срока выдержки ПР от применяемого метода испытаний на герметичность. Следовательно, надо найти наиболее точный метод с соответствующим минимальным сроком выдержки ПР.
Возможные пути решения данной проблемы:
• Разработка нового метода испытаний на герметичность, позволяющего применить его сразу же после окончания строительства. Основная проблема: термобарические процессы в ПР еще происходят, более того в первый период времени они достаточно активны.
• Свести к минимуму, продолжительность термобарических процессов, происходящих в ПР, так как исключить их полностью невозможно.
Однако, испытывая ПР до того, как все процессы, происходящие в нем, прекратились, мы испытываем данный ПР в данный период времени, а не тот, ко-
торый будет иметь место после завершения всех происходящих в нем процессов и который в конечном итоге будет использоваться для хранения продукта. Нельзя исключать возможность того, что первоначально ПР прошел испытания и был определен как герметичный, а после выстаивания термобарические процессы в нем более или менее установились и он стал негерметичным. Поэтому не-
обходимо определить оптимальный срок выстаивания ПР после его создания до начала проведения испытаний на герметичность.
На сегодняшний день существует множество методов определения герметичности ПР, но в основном все они зависят от измерений таких величин, как давление, температура, масса и объем, т.е. тех самых величин, большинство которых во
многом зависят от происходящих в ПР термобарических процессов. Это вызывает дополнительные сложности в точном определении истинного состояния ПР, а как следствие и его герметичности.
Необходимо искать новые пути в вопросе решения данной проблемы, так как герметичность подземных резервуаров играет определяющую роль в их использовании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов В.И. Обоснование и разработка способов и технологий строительства подземных сооружений для хранения газонеф-тепродуктов и захоронения промышленных отходов. М.: 1995 г. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада.
2. Теплов М.К. Материалы по проблеме хранения гелия в ПР, создаваемых в соляных отложениях. М.: 1980 г. НТЦ «Подземгаз-пром».
3. Казарян В.А. Сооружение подземных хранилищ в каменной соли. Газовая промышленность. №9. 1999 г.
4. Коробейник ВМ., Теплов М.К. Гелиеиндикаторный метод оценки герметичности подземного хранилища. Газовая промышленность. №9. 1999 г.
5. Walter Schumann, Prof. Dr. Steine + Mineralien, Edelsteine, Gesteine, Erze. BLV Verlagsgesellschaft. Munhen Bern Wien. - Шуман В. (Германия) Мир камня 1-2 т. Т.1. Горные породы и минералы. «Мир» М.:1986 г.
6. Миронов Ю.М., Яковлев В.С., Чулков Н.Г. Разработка технологии поддержания стабильного качества нефтепродуктов при их хранении в ПР в каменной соли. М.: 1992 г. /НИИПХпроект/.
