Обоснование экологически безопасных режимов эксплуатации бесшатных подземных хранилищ в отложениях каменной соли

В практике подземного хранения наибольшее распространение получили бесшахтные подземные хранилища (ПХ) в отложениях каменной соли. Они используются для различных целей, в том числе для размещения стратегических запасов сырой нефти и светлых нефтепродуктов, в качестве товарно-сырьевых баз для нефтехимического и химического производства, для создания пиковых и аварийных хранилищ природного газа. В подземных резервуарах в каменной соли может храниться практически все разнообразие продуктов углеводородных соединений – природный газ, нефть, этилен, пропилен и др., а также гелий, азот и другие газы, возможно использование для захоронения или депонирования промышленных отходов. Перспективно использовать подземные резервуары в каменной соли в качестве технологических аппаратов для подготовки нефти (отстой пластовых вод и сепарация нефтяного газа) и газа (сепарация газового конденсата). Извлекаемый при сооружении подземного резервуара концентрированный раствор хлорида натрия является ценным химическим сырьем, практически готовым к утилизации.[1] В США и России некоторые выработки использовались для подземного испытания боеприпасов и ядерного оружия. В данной работе рассматривалось состояние подземного хранилища природного газа.

Бесшахтные подземные резервуары сооружаются методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины. ПХ включает в себя выработку-емкость, где непосредственно располагается сырье для хранения и образующийся рассол, и эксплуатационную скважину, обеспечивающую закачку и выдачу продукта, а также транспортировку рассола в недра либо в рассолохранилища по прилегающим трубопроводам. Выработка-емкость имеет, как правило, осесимметричную форму и сводчатую кровлю, причем осью симметрии является скважина. Пролет выработки доходит до 80 м, высота до нескольких сотен метров, а вместимость составляет от десятков тысяч до миллиона кубометров.

Подземные хранилища сооружаются в соляных залежах всех морфологических типов и различного возраста: от кембрия до неогена. С точки зрения технологии строительства большое значение имеют состав соленосных отложений, глубина их залегания и температура пород. Содержание нерастворимых включений в каменной соли, принятое по данным мирового опыта, не должно превышать 35%. Все существующие в мире подземные резервуары расположены в соляных толщах, залегающих, как правило, в диапазоне глубин 300-1400 м. Для водообеспечения, как правило, используются слабоминерализованные промышленные стоки, или осуществляется водозабор из поверхностных водоемов и водотоков. В ряде случаев используется водозабор из подземных вод, в том числе минерализованных.[ 1 ]

Механические и реологические свойства каменной соли определяют устойчивость и производительность соляных слоев для их использования в качестве газохранилищ. Деформация соли может быть пластической или хрупкой в зависимости от температуры, состояния напряженности и скорости деформации. Поведение соли является упругопластическим при кратковременном испытании на сжатие и упруго -хрупким при испытании на разрыв, при долгосрочном нагружении соль ползет даже под воздействием небольших девиаторных напряжений. [2] Но ее вязкопластическая деформация, способность самозалечивать появляющиеся трещины, и чрезвычайно низкая проницаемость являются идеальными условиями для использования соляных массивов в качестве хранилища для углеводородного сырья. Устойчивость подземных резервуаров, предназначенных для хранения природного газа, и их герметичность в процессе эксплуатации во многом определяются механическим состоянием соляного массива в их приконтурной зоне. Этапы закачки и отбора газа сопровождаются изменением давления газа на контур выработки-ёмкости, что, в свою очередь, вызывает изменение напряжённо-деформированного состояния каменной соли в её окрестности.

Возможны следующие дефекты при эксплуатации камеры:

– потеря устойчивости ввиду недопустимой концентрации напряжений вблизи контура камеры с растрескиванием, дроблением и возможными вывалами и обрушениями каменной соли в процессе снижения давления в камере до минимума. Это может повлечь выход трещин в проницаемые покрывающие соль породы с потерей герметичности и последующие недопустимые утечки закачиваемого газа, нарушение кровли камеры и повреждения обсадной и подвесных колонн, приводящие к их замене или ремонту. При этом в дальнейшем сохраняется опасность разгерметизации камеры.

– уменьшение объема и вместимости камеры вследствие постепенного «заплывания» конвергенции (пластического течения соли внутрь) во времени. При деформациях слоев соли вблизи контура камеры высокие напряжения постепенно перераспределяются и воспринимаются более прочными (не потерявшими прочности от предела текучести) слоями соли на удалении от камеры, что приводит к снижению общей скорости деформаций и заплывания камеры.

– переток - фильтрация хранимого газа, когда его давление в камере превысит минимальное геостатическое напряжение во вмещающей толще соли. При образовании более глубоких трещин возможны гидроразрывы соли с попаданием газа в проницаемые горизонты. [2]

При разгерметизации резервуара хранящийся в нем газ по возникшим трещинам может проникнуть не только в водоносный горизонт. Возможен его полный выход на поверхность, в месте крайне удаленном от ПХГ, что несет в себе негативное воздействие на состояние окружающей среды и угрозу жизнедеятельности людей. Также потеря устойчивости подземного резервуара приводит к отрицательному экономическому эффекту, так как вернуть утерянный продукт обратно в хранилище не представляется возможным.

Следует отметить, что успешность, безаварийность и экономичность эксплуатации камер ПХГ в каменной соли во многом определяется уже на стадии проектирования, включая разведочные работы и технологию строительства скважины и камеры. Поэтому эти вопросы не следует рассматривать изолированно от режимов эксплуатации камер ПХГ, поскольку это, по сути, единый комплекс, и большинство проблем, возникающих в процессе эксплуатации камер ПХГ, являются следствием недоработок, ошибок и упущений на стадиях проектирования и строительства.

В связи с вышеуказанной проблемой возникает необходимость решения следующей задачи: разработка научно-обоснованных параметров эксплуатации подземных резервуаров с учетом геомеханических процессов в породном массиве. Для решения этой задачи были проведены экспериментальные исследования по определению влияния скорости нагружения на прочностные и реологические свойства каменной соли в лабораторных условиях, объективно отражающих поведение соляного массива при откачке и закачке хранимого газа на ПХГ.

Новизна разработки заключается в том, что впервые предлагается осуществлять выбор режимов и параметров эксплуатации подземных резервуаров в каменной соли с учетом геомеханических процессов, происходящих в породном массиве, вмещающем выработки-емкости различных геометрических размеров.

Экспериментальные исследования проводились на образцах каменной соли из керна одной скважины в лабораторных условиях с различными скоростями нагружения и сочетаниями нагрузок в пределах от 0,5 МПа/сут до 5∙10³ МПа/сут для последующего сопоставления и определения влияния на прочностные и реологические свойства каменной соли. Подбирались образцы одной литологической разновидности для возможности последующего корректного сопоставления испытаний различных условий. Контрольное испытание шести образцов на одноосное сжатие показало среднее значение σ сж = 21 МПа при разбросе значений не более 7%. Минимальные значения нагрузок выбраны по реальным темпам отбора газа из ПХГ в каменной соли, а максимальные – согласно регламентированным Росстандартом методам испытания на прочность и деформируемость горных пород.

Исследования по нагружению образцов проводились на двух установках: испытательной машине EU-100, работающей совместно с камерой трёхосного сжатия БВ-21 при скорости нагружения от 24∙103 МПа/сут до 40 МПа/сут, и реологической установке трёхосного сжатия БУ-61 при скорости нагружения от 40 МПа/сут и ниже. Использование двух типов испытательных машин обеспечивает возможность проведения экспериментов в большом диапазоне скоростей нагружения.

Образец каменной соли представляет собой сплошной цилиндр высотой от 80 до 100 мм и диаметром 40-50 мм. Образцы вытачиваются из керна каменной соли на токарном станке с последующей дошлифовкой торцевой поверхности.

При нагружении образцов на установках использовалась «классическая» схема Кармана, позволяющая создать в процессе испытания осевые и боковые нагрузки.

В процессе экспериментов производились непрерывные измерения во времени главных напряжений σ1 , σ2 , σ3 и главных деформаций ε1, ε2, ε3. Отбор газа из ПХГ сопровождается уменьшением одного из главных напряжений, что приводит к росту девиаторной составляющей (σ1 - σ3), которая в свою очередь определяет напряженное состояние приконтурной зоны выработки в соляном массиве.

Измерение напряжений и деформаций позволяет определить наиболее характерные реологические свойства, такие как предел длительной прочности σ∞ (по изменению объемной деформации в сторону уплотнения или разрыхления образца) и предельную допустимую деформацию ε∞ (деформацию на пределе прочности), а так же оценить скорость ползучести.

σ1 (давление поршня)

= σ 3 (давление маслом)

Рис. 1. Нагружение образца по схеме Кармана.

Точка максимального значения величины объемной деформации соответствует критическому значению (σ1 - σ3), после которого испытуемый материал подвергается трещинообразованию. На рис. 2 представлен график, отражающий зависимость критического значения (σ1 -σ3) от изменения объемной деформации в экспериментах.

Рис. 2. График определения критического значения (σ1 – σ3) по максимальному значению объемной деформации в области уплотнения

Рис. 3. Схема проведения эксперимента с предварительным гидростатическим нагружением образца, последующим увеличением осевой нагрузки σ 1 и снижением боковой нагрузки(σ 2 = σ 3 )

Схема нагружения (см. рис. 3) заключается в первоначальном гидростатическом обжатии образца σ1  =  σ2  =  σ3. Величина гидростатического давления рассчитывается по формуле: σ = 2ρgH

где:  р - плотность вышележащих пород, т/м

H- глубина заложения потолочины резервуара, м.

Последующее увеличение осевой нагрузки σ1 и уменьшение боковой (σ2 = σ3) производится с учетом постоянства значения среднего напряжения σср = (σ1 + σ2 + σ3)/3. Данное условие необходимо ввиду достаточного большого влияния среднего напряжения σср на прочность материалов. В данных экспериментах используются два значения среднего напряжения σср 16 МПа и 26 МПа, что соответствуют глубинам заложения потолочины резервуаров 650-750 и 1100-1200м.

В процессе эксперимента производилось измерение объемной деформации εv. Она рассчитывается как сумма главных деформаций εv = ε1+ ε2+ ε3. Увеличение напряжения сопровождается уплотнением образца до определенной величины εv. После максимального уплотнения образца происходит появление дефектов в образце, о чем свидетельствует разуплотнение.

В первой серии опытов испытывалась группа образцов в количестве семи штук для заданного значения σср = 16 МПа (глубина потолочины соответствует 650-750 м). Эксперименты продолжительностью более 1 суток или со скоростью нагружения более 30 МПа/сут проводились на установках БУ-61. При продолжительности испытания менее суток на испытательной машине EU-100 и камере трехосного сжатия БВ-21.

В табл. 1 представлены результаты определения напряжений (σ 1 - σ 3 ) соответствующих максимальному уплотнению образца при различных скоростях нагружения и постоянного значения σ ср = 16 МПа (глубина потолочины соответствует 650-750 м).

Во второй серии опытов испытывалась группа образцов (10 штук) для заданного значения σср = 26 МПа (глубина потолочины соответствует 1100-1200 м), результаты отражены в табл. 2.

Таблица 1

Результаты определения напряжений (σ₁ - σ₃) соответствующих максимальному уплотнению образца при различных скоростях нагружения и постоянного значения σ ср = 16 МПа.

№	Образец №	Испытательная установка	Скорость     нагружения, МПа/сут	Напряжение (σ 1 - σ 3 ), МПа
1	5/1	БУ-61	0,78	15,3
2	6/3		1,2	15,3
3	11/3а		1,5	15,5
4	7/2в		5,7	15,4
5	6/1	EU-100	120	14
6	4/3а		221	13,4
7	4/4а		2707	12,9

Таблица 2

Результаты определения напряжений (σ 1 - σ 3 ) соответствующих максимальному уплотнению образца при различных скоростях нагружения и постоянного значения σ_ср = 26 МПа

№	Образец №	Испытательная установка	Скорость нагружения, МПа/сут	Напряжение (σ 1 - σ 3 ), МПа
1	26/1	БУ-61	0,921	18,2
2	4/3б		1,206	17,8
3	2/3		4,7	18,1
4	3/1а		20,5	18,3
5	5/2	EU-100	40	17,9
6	5/3		97,7	16,5
7	8/2		200	14,9
8	8/4		330	14,8
9	2/4		3645	15,5
10	11/1		5378	15,2

Результаты определения значения критических напряжений от скорости нагружения представлены на рис. 4. Здесь представлены испытания всех 17 образцов при двух значениях среднего напряжения 16 МПа и 26 МПа. Диапазон скоростей нагружения составил 0,7 – 5378 МПа/сутки. Для удобства ось абсцисс «скорость нагружения, МПа/сутки» представлена в логарифмическом виде.

На графике видно, что критические напряжения с увеличением скорости нагружения уменьшаются, как при значении среднего напряжения 16 МПа, так и 26 МПа.

Рис. 4. Зависимость величин критического напряжения в зависимости от скорости нагружения при двух постоянных значениях среднего напряжения 16 МПа и 26 МПа.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что быстрое нагружение не способствует равномерному перераспределению напряжений и деформаций в образцах каменной соли. Этот эффект приводит к появлению внутренних дефектов при меньших напряжениях, по сравнению с медленным нагружением. Следует отметить максимально допустимые скорости нагружения, при которых испытуемая каменная соль находится лучшем состоянии по прочностным параметрам.

Для значения σ ср = 16 МПа (глубина потолочины соответствует 650750 м) эта величина составляет до 5 МПа/сутки, а для значения σ ср = 26 МПа (глубина потолочины соответствует 1100-1200 м) эта величина составляет до 20 МПа/сутки. Разница заключается в том, что при большей глубине заложения выработки каменная соль становиться более пластичной, что способствует лучшему перераспределению напряжений и деформаций.

каменная соль, эксплуатация бесшахтных подземных хранилищ, устойчивость подземных резервуаров rock salt, exploitation of underground storage, stability of underground storage