Обоснование тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Сурин, Степан Дмитриевич

• Сурин, Степан Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сурин, Степан Дмитриевич

Оглавление

Введение

1. Глава 1 - Обзор работ в области сооружения подземных резервуаров

1.1. Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах

1.2. Особенности сооружения подземных резервуаров в условиях многолетнемерзлых грунтов

1.3. Оценка теплового воздействия при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров

1.4. Выводы, цели и задачи исследований

2. Глава 2 - Обоснование физической и математической модели процессов теплообмена теплоносителя с многолетнемерзлыми породами при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров

2.1. Математическая модель процесса теплообмена

2.2. Численный метод расчета

2.3. Исходные данные для математического моделирования процессов теплового воздействия от подземных резервуаров на мерзлый массив

2.4. Проверка возможности использования расчетного метода для решения поставленных задач

2.5. Экспериментальные исследования параметров сооружения подземных резервуаров

2.6. Выводы

3. Глава 3 - Влияние параметров теплообмена на форму, размеры и объем подземных резервуаров при их сооружении

3.2. Расчет параметров процесса восстановления температурного режима мерзлого массива

3.3. Результат расчета влияния свойств массива грунтов на сохранность формы подземных резервуаров

3.4. Выводы

Глава 4 - Влияние параметров теплообмена на изменение формы, размеров и объема

подземных резервуаров при их эксплуатации

4.1. Исследование температурного режима мерзлого массива при хранении жидких

углеводородов

4.2 Исследование температурного режима мерзлого массива при захоронении отходов бурения в подземных резервуарах

4.3. Методика прогнозирования устойчивости подземных резервуаров при их сооружении в многолетнемерзлых породах

4.4. Выводы

Глава 5 - Расчет экономических показателей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованной литературы

Приложение А. Геологическая характеристика Бованенковского НГКМ

Приложение Б. Расчеты теплового воздействия при строительстве подземных резервуаров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах»

Введение

Актуальность исследования. Интенсивное развитие газодобывающего комплекса, экологически эффективное использование природных ресурсов и, в то же время, требования законодательства по обращению и захоронению промышленных отходов и хранению жидких углеводородов определяют специфику освоения нефтегазоконденсатных месторождений на Крайнем Севере РФ. Например, при освоении одного Бованенковского НГКМ в результате бурения промысловых скважин образуется около 300 тыс. м буровых отходов, имеющих четвертый класс экологической опасности. Применяемый в настоящее время амбарный метод хранения данных отходов в условиях затопления паводковыми водами до 80% осваиваемой территории запрещен к использованию, вывоз такого объема отходов не представляется возможным, а цеха по нейтрализации буровых отходов и их закачка в глубокие поглощающие горизонты представляются экономически неэффективными. Можно сделать вывод, что используемые в настоящее время методы утилизации или нейтрализации отходов бурения не соответствуют экологическим стандартам (или соответствуют лишь частично) и применяются до сих пор исключительно ввиду отсутствия других предложений в этой области.

Помимо экологических проблем, сопутствующих утилизации отходов бурения, на северных месторождениях существует острая нехватка грунтов, пригодных для отсыпки территории под строительство объектов нефтегазового промысла. Открытая отработка песчаных и гравийных пород в криолитозоне вызывает нарушение сплошности мохового покрова, интенсифицирует опасные геокриологические процессы (солифлюкция, термокарст, эрозия и т.п.). При этом организации, занимающиеся освоением месторождений, вынуждены мириться с принятым законодательством и выплачивать существенные штрафы за нарушение существующей экосистемы.

В связи с этим предлагается создание на территориях северных месторождений подземных комплексов, позволяющих решить вопрос утилизации

большого объема буровых отходов без нанесения вреда природной среде.

2

Подземное захоронение промышленных отходов в мерзлых породах позволит исключить утечки в речную сеть химических реагентов, оставшихся в шламе после обезвоживания, и предотвратить влияние на местную флору и фауну. При заложении подземных выработок ниже слоя нулевых годовых амплитуд в криолитозоне произойдет постепенный переход буровых отходов в твердомерзлое состояние, после чего негативное влияние на окружающую среду полностью исчезнет. Более того, льдистые горные породы обладают прекрасными водоупорными характеристиками, исключающими возможность фильтрации буровых отходов в мерзлый массив. Однако, само по себе строительство подземных сооружений в областях вечной мерзлоты требует существенных финансовых вложений и может сделать нерентабельным утилизацию буровых отходов данным методом.

В настоящее время активно используется технология скважинной гидродобычи, которая позволяет разрабатывать несвязные горные породы и поднимать их на поверхность за счет гидравлической и тепловой энергии воды. В результате водотеплового разрушения пород в мерзлом массиве получаются полости, которые можно использовать для утилизации промышленных отходов. По совокупности факторов скорости разрушения породы водотепловым способом и возможности подъема оттаявшей породы на поверхность в областях вечной мерзлоты оптимальными породами, с точки зрения технологии скважинной гидродобычи, являются мерзлые пески.

Можно сделать вывод, что эффективным методом борьбы с экологическим воздействием на северную природу является захоронение отходов бурения в подземных резервуарах, созданных в мерзлых песках методом скважинной гидродобычи, с дальнейшим естественным промораживанием данных отходов. В результате строительства серии резервуаров на территориях северных нефтегазовых месторождений в качестве еще одного положительного аспекта можно отметить

образование большого количества кондиционного промытого песка, идущего на строительные нужды для отсыпки дорог и кустовых площадок.

Подземное хранение применимо к арктическому дизельному топливу, газовому конденсату и продуктам его переработки, а также к прочим горючим жидким веществам, содержащимся в настоящее время в наземных емкостях. Утечка топлива или продуктов переработки газа приводит к последствиям, ущерб от которых невозможно переоценить. Подземное хранение существенно снижает риски возгорания жидких углеводородов, потери продукта при больших дыханиях за счет поддержания отрицательных температур, утечек по сравнению с наземными резервуарами, риск взрывоопасное™, снижает расход метала и затраты на эксплуатацию резервуаров. Как следствие, подземное хранение жидких углеводородов существенно понижает трудо- и материалозатраты освоения месторождений на Севере. Недостаточная изученность процессов взаимодействия воды с мерзлым массивом при строительстве подземных резервуаров, а также отходов бурения и жидких углеводородов в процессе эксплуатации не позволяет гарантировать устойчивость подземных выработок в течение всего срока их использования. Актуальность настоящей работы определяется необходимостью обоснования тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, повышающих их длительную устойчивость, при хранении жидкостей или подземном захоронении промышленных отходов.

Цель диссертационной работы заключается в обосновании тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, обеспечивающих их длительную устойчивость при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения.

Идея работы состоит в математическом моделировании температурных полей в многолетнемерзлых породах с применением численных методов расчета при различных режимах строительства и эксплуатации подземных резервуаров.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах за их контуром формируется зона пластичномерзлых грунтов, мощность которой обратно пропорциональна разнице между температурой подаваемого теплоносителя и температурой фазовых переходов в мерзлых грунтах, при этом мощность указанной зоны уменьшается с 1,0 до 0,35 м с увеличением разницы температур от 5 до 20 °С.

2. При равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания утилизируемых отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади контакта многолетнемерзлых пород с отходами в его кровле; время замерзания буровых отходов изменяется от 55 до 165 лет при увеличении объема резервуаров от 1500 до 5000 м3.

3. Впервые установлено, что отношение вертикальной скорости промерзания утилизируемых отходов бурения в подземных резервуарах к горизонтальной пропорционально глубине заложения подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и возрастает от 3 до 10 раз с увеличением глубины их заложения с 15 до 75 м.

4. Впервые установлено, что использование подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для хранения жидких углеводородов с положительной температурой в летний период возможно при охлаждении вмещающего массива в зимний период; при этом необходимая температура охладителя пропорциональна квадратному корню из средней температуры воздуха в летний период и уменьшается от минус 14 до минус 48 °С с увеличением средней температуры воздуха в летний период от 8 до 18 °С.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием сертифицированных средств математического моделирования;

- сопоставимостью результатов численного расчета с результатами

лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний;

5

- положительным опытом внедрения научных результатов в области проектирования и строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые с помощью решения задачи Стефана численными методами проведена оценка теплового воздействия хранимых жидких углеводородов и утилизируемых отходов бурения на мерзлый массив с учетом теплообмена подземных резервуаров с земной поверхностью и изменчивостью свойств мерзлых пород по глубине;

- впервые установлена зависимость максимального размера зоны перехода грунтов из твердомерзлого в пластичномерзлое состояние в процессе строительства подземных резервуаров, при хранении жидких углеводородов и утилизации отходов бурения.

Научное значение диссертации заключается в:

- теоретическом обосновании размеров и формы подземного резервуара, сооружаемого в мерзлых грунтах, в зависимости от температуры подаваемого теплоносителя, что позволяет оценивать устойчивость резервуаров при различном строении мерзлого массива;

- установлении закономерностей движения границы промерзания буровых отходов в подземных резервуарах в зависимости от их объема, геометрии и глубины заложения;

- комплексном учете факторов, влияющих на промерзание отходов бурения в подземных резервуарах, что позволяет прогнозировать параметры теплового воздействия на вмещающие мерзлые породы и делает возможным оценку времени перехода отходов в твердое состояние;

- определении закономерностей формирования температурного режима на стенках резервуара, при котором обеспечивается сохранность его начальной формы при хранении жидких углеводородов с периодическими циклами их закачки/отбора;

- установлении эмпирической зависимости максимально возможной температуры жидких углеводородов, хранимых в подземных резервуарах в теплый период года, от их температуры в зимнее время.

Практическое значение диссертации

Учет теплового взаимодействия подземных резервуаров между соседними выработками, вмещающими породами и объектами нефтегазового комплекса позволяет разрабатывать проектную документацию на строительство подземных резервуаров, корректировать расчет устойчивости выработок с учетом зоны теплового влияния на вмещающие породы и закладывать системы геотехнического мониторинга на основании результатов прогнозного моделирования динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров. Создана методика, позволяющая разрабатывать технологические регламенты на строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и их дальнейшую эксплуатацию при хранении жидких углеводородов и захоронении отходов бурения.

Реализация выводов и рекомендаций

Технология сооружения подземных резервуаров была испытана и применена при создании более тридцати подземных хранилищ для захоронения буровых отходов на полуострове Ямал. Результаты исследований использовались при обосновании инвестиций для строительства резервуарного парка жидких углеводородов и разработке рабочих проектов для захоронения отходов бурения. На Мастахском газоконденсатном месторождении в республике Саха (Якутия) результаты исследований использовались при корректировке регламента на эксплуатацию подземного резервуарного парка по хранению газового конденсата.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях «Неделя Горняка» в МГГУ (2008 - 2012 гг.), технических советах ООО «Подземгазпром» (2008-2011 гг.), научных конференциях ООО «Газпром» (2010-2012 гг.), кафедре ФГПиПМГГУ (2008-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 185 страницах, содержит 88 рисунков, 28 таблиц, списка использованной литературы из 72 наименований и 2 приложений.

1. Глава 1 - Обзор работ в области сооружения подземных резервуаров

1.1. Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах

Подземное хранение жидких продуктов в криолитозоне возможно благодаря хорошим экранирующим свойствам мерзлого массива. Подземное хранение в мерзлых грунтах используется в народном хозяйстве с конца XIX века. Однако, до 70-х годов XX века подземные хранилища в мерзлоте создавались исключительно шахтным методом или траншейным методом с последующей обваловкой производственного объекта грунтом.

Подземные шахтные выработки для хранения продуктов переработки газа, углеводородного топлива и воды активно используются мерзлых грунтах в республике Якутия, на Полярном Урале, севере Тюменской области, в Магаданской области, а также в Канаде и США [54]. На Крайнем Севере подземные выработки используются для хранения жидких углеводородов, захоронения отходов бурения или в качестве естественных холодильников. При этом шахтные выработки могут переоборудоваться из отработанных шахт для добычи полезных ископаемых или создаваться непосредственно для хранения углеводородов. Необходимо отметить, что создание шахтных хранилищ требует больших финансовых затрат как на само строительство, так и на последующий этап эксплуатации, что может сказываться на рентабельности данной технологии. Намного эффективнее создавать безоболочные хранилища не шахтным способом, а размывом дисперсных мерзлых пород через скважину. Технология создания подземных резервуаров имеет большое количество аналогий с добычей полезных ископаемых из погребенных россыпей [5, 8, 51, 56].

При скважинной гидродобыче в массиве пород образуются полости, которые

можно использовать как подземные резервуары или хранилища. В процессе

разрушения мерзлых пород методом скважинной гидродобычи возможно

8

управление формой образующейся выработки за счет регулирования расхода подачи теплоносителей и поддержанием уровня теплоносителя в создаваемой выработке. Исходя из известных физических и физико-механических характеристик мерзлого массива, можно разработать регламент на строительство, обеспечивающий создание выработки с устойчивой геометрической формой.

Скважинная гидродобыча дисперсных грунтов активно применялась с 60-х годов прошлого века. Основным направлением данной технологии являлась разработка рассыпных месторождений руд и маломощных прослоев угля, нерентабельных для освоения шахтным способом. В случае строительства подземных резервуаров с применением метода водотеплового разрушения мерзлых пород через скважину нет затрат, связанных с ведением вскрышных и горнопроходческих работ, что существенно уменьшает затраты на строительство. Для создания подземных полостей достаточно смонтировать скважинный снаряд, состоящий из системы вложенных друг в друга труб, и выделить место на поверхности для размещения оборудования и карту намыва.

Технология строительства подземных резервуаров основана на водно-тепловом разрушении многолетнемерзлых дисперсных отложений с подъемом размытого материала в виде пульпы на поверхность через скважину [65]. Впервые технология оттаивания мерзлых пород через скважину была опробована на прииске «Светлый» треста Лензолото в 1884 г. [20]. Предусматривалось оттаивание мерзлых песков с помощью серии гидроигл, по которым подавалась теплая вода в мерзлый массив. В XX веке были созданы более совершенные методы и технологические схемы разработки мерзлых пород. Развитие методов оттаивания мерзлых дисперсных пород велось в нескольких направлениях: метод послойного оттаивания [38], гидроигловой, дождевальный, фильтрационно-дренажный. В 80-х годах прошлого века активно решались вопросы, связанные с тепловым взаимодействием мерзлых пород с водными потоками.

В зависимости от соотношения теплового и механического факторов размыва возможны четыре принципиально различные типы размыва [46]:

• эрозионный - размыв оттаявших отложений, восстановивших свою структуру после промораживания и последующего оттаивания;

• теромэрозионный - размыв оттаивающих грунтов с посткриогенной текстурой, обладающих нарушенными структурными связями после цикла промерзания и оттаивания;

• предельно-термоэрозионный, характеризующийся оттаиванием и мгновенным смывом оттаивающего материала;

• мерзлоэрозионный - размыв непосредственно мерзлых пород, в котором основную роль играет механическая энергия потока.

Размыв мерзлых пород, теряющих связность при оттаивании, можно вести путем заполнения или орошения стенок (размыва) разрабатываемой полости теплой водой. Технология строительства подземных резервуаров методом орошения стенок или гидроразмыва включает в себя совокупность беспрерывных производственных операций по разрушению породы, ее подъему, транспортировке и укладке [38]. Технология строительства подземных резервуаров в мерзлых дисперсных породах методом гидроразмыва, предложенная Г.П. Кузьминым, показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1 — Поэтапная схема строительства подземного резервуара методом скважинного размыва с помощью скважинного гидроагрегата

Предусматривается бурение технологической скважины, ее обсадка с цементацией затрубного пространства до кровли проектируемого резервуара,

бурение необсаженной части скважины, монтаж и спуск гидроагрегата, размыв полости и демонтаж гидроагрегата. Для обеспечения в начальный период размыва свободного опусканий частиц оттаивающего грунта на дно скважины следует предусматривать зазор между рабочей колонной и стенками рабочей скважины. После образования пространства достаточных размеров опускают кольцевой ороситель и приступают к размыву полости.

Метод гидроразмыва с помощью скважинного гидроагрегата обладает рядом существенных недостатков. Песчаные частицы в спокойной воде быстро опускаются на дно и вследствие этого плохо транспортируются слабыми потоками воды. Поэтому для обеспечения непрерывного подъема грунта гидроагрегатом возникает необходимость периодического взвешивания размытого грунта путем подачи воды в разрабатываемую полость. Это приводит к снижению скорости подъема грунта и перерывах в работе во избежание закупоривания каналов гидроагрегата его следует поднимать на такую высоту, чтобы срез насадки оказался выше уровня пульпы. Периодические остановки существенно снижают темп отработки подземных выработок.

Метод скважинной гидроразработки мерзлых пород был испытан при сооружении восьми подземных резервуаров на опытной площадке Института мерзлотоведения СО РАН и на территории совхозов Якутского и Намского районов республики Саха (Якутия). При этом производительность по подаче рабочей воды

л

составляла 90 м /ч. Средняя скорость производительность размыва мерзлых грунтов

л

составила от 2,8 до 3,6 м /ч [38].

Проблема непрерывного подъема грунтовой смеси на поверхность была

решена в схеме строительства подземных резервуаров при полном заполнении

выработки и использовании эрлифтного снаряда. Развитием данной технологии в

90-х годах XX века посвящены работы A.C. Хрулева [65, 66].

Перед началом размыва подземного резервуара в песчаных породах в

скважине монтируется скважинный снаряд, состоящий из секционированных по

длине колонн труб для подачи воды, сжатого воздуха, теплоносителя (пара) и

подъема гидросмеси песка на поверхность [67].

11

оборотной воды. Доставка воды к комплексу производиться с помощью автоцистерн (7) от станции водозабора или самотеком от ближайшего водоема до емкости для воды (8). Подача воды из емкости (8) осуществляется с помощью электронасоса с расходом, равным производительности комплекса по извлекаемому из резервуара песку.

При полном заполнении подземной выработки водой на этапе строительства разрушение мерзлых пород происходит за счет оттаивания и нарушения структурных связей в мерзлых породах. Ввиду того, что в заполненной водой полости при радиусе выработки более 2-3 м разрушительное действие водной струи практически неощутимо [1], то размыв резервуара идет за счет теплового воздействия на мерзлые породы. Тепло, подаваемое в камеру с водой и паром, доставляется до мерзлой стенки при перемешивании воды внутри выработки. Мерзлые породы на контуре выработки оттаивают и, при достижении талого слоя некоторой величины, отрываются от вертикальной стенки и оседают на дне резервуара с образованием угла естественного откоса. Мощность талого слоя не стенке подземного резервуара в процессе строительства зависит от свойств вмещающих пород и скорости движения воды вдоль стенки, которая, в свою очередь, определяется объемом выработки и производительностью подачи воды в резервуар. Для песчаных грунтов мощность талой зоны может составлять несколько миллиметров, глинистые грунты могут образовывать талый слой до 5 см и отделяться от вертикальной стенки в результате действия процессов размокания [48, 50].

По описанной технологии в Якутии на Мастахском ГКМ для хранения газового конденсата в 1982-1984 гг. в песчаных отложениях создан резервуарный

л

парк из трех подземных резервуаров общим объемом около 10000 м . В настоящее время два из трех резервуаров используются по назначению. В 2008 г на территории Бованенковского НГКМ вблизи КОС базы бурения по описанной технологии в

Л

мерзлых песках был размыт подземный резервуар объемом около 4800 м с целью

отработки технологии строительства. В 2009 г. данный резервуар заполнен отходами бурения, после чего его обсадная колонна была ликвидирована.

Еще одним направлением развитием технологии строительства скважинных подземных резервуаров является способ подземного плавления пластового льда без выноса на поверхность дисперсных грунтов (ссылка на Скосареву). Технология создания подземных резервуаров в многолетнемерзлых песчаных породах имеет ограничение, связанное с сезонностью строительства. Подъем гидросмеси песка на поверхность и его обезвоживание на открытой карте намыва, делает невозможным ведение работ при низких отрицательных температурах из-за замерзания оборотной воды. Специалистами ООО «Подземгазпром» разработана технология строительства подземных резервуаров в отложениях подземных льдов с применением метода оттаивания пластовых льдов через скважины, позволяющая вести строительство круглогодично. Основное преимущество технологии строительства подземных резервуаров во льдах по сравнению с песками заключается в возможности строительства в зимний период и использование более простого оборудование (парогенераторная установка для производства и подачи теплоносителя и оборудование для откачки воды) [1].

Результаты исследований и опытных работ по созданию резервуара в подземном льду через вертикальную скважину на Бованенковском НГКМ позволили определить основные технические решения и параметры для обустройства скважины на период создания резервуара в подземном льду. Технология строительства подземного резервуара в пластовом льду предусматривает бурение вертикальной скважины до подошвы пластового льда, монтаж в скважине колонны труб для подачи пара и отбора избыточной воды, образующейся в результате плавления льда и конденсации пара, управление формой подземной емкости, для обеспечения ее устойчивости.

Технологическая схема может быть реализована через скважину с созданием вертикальной выработки-емкости (рис.5). В технологии теплоносителем может являться как вода, так и водяной пар.

выработок. По окончанию строительства производится обследование подземного резервуара для определения его фактических размеров, формы и герметичности. После обследования из резервуара откачивается вода и производится монтаж технологического оборудования, используемого при эксплуатации подземного резервуара.

Ликвидация резервуаров осуществляется посредством создания цементного моста в скважине, обрезки обсадной колонны на уровне ниже поверхности земли и заглушке скважины на фланцах обсадной колонны (рис. 1.4, 1.5).

Рис. 1.4 - Фланец обсадной колонны подземного резервуара после его ликвидации

Затем обсадная колонна засыпается грунтом с выходом на земную поверхность репера, приваренного к обсадной колонне, с указанием данных о выработке. В многолетнемерзлых дисперсных породах подземные резервуары могут быть созданы объемом от 2000 до 10000 м3 и располагаться на кустовых площадках эксплуатационных скважин, местах хранения жидких углеводородов или едином полигоне.

Рис. 1.5- Ликвидированный подземный резервуар

Единичный объем подземных резервуаров принимается исходя из геологических условий строительства: мощности, глубины залегания и деформационно-прочностных характеристик многолетнемерзлых песчаных пород.

1.2. Особенности сооружения подземных резервуаров в условиях многолетнемерзлых грунтов

Особенностью мерзлых дисперсных пород как вмещающего пласта для строительства подземных резервуаров является их разрушение под действием теплового воздействия. Подача тепла вызывает снижение прочности мерзлых дисперсных грунтов в результате повышения температуры и дальнейшего их разрушения при оттаивании.

Создание подземных хранилищ в многолетнемерзлых породах накладывает на строителей ряд ограничений. Необходимо учитывать, что породы, содержащие лед, в длительном времени не являются абсолютно устойчивыми. Т.е. устойчивая подземная полость в мерзлых породах через некоторое время может потерять некоторую часть объема из-за конвергенции [9, 11, 18, 71]. Устойчивость кровли резервуара может нарушиться из-за изменения геометрии выработки, например, в результате оплывания стенок резервуара при отепляющим воздействии хранимых продуктов на контур выработки. В процессе строительства подземных хранилищ в мерзлых породах необходимо учитывать ряд факторов, влияющих как на скорость оттаивания стенок и безопасность строительства, так и на дальнейшую возможность эксплуатации при хранении различных продуктов.

Строительство подземных резервуаров возможно проводить в любых дисперсных мерзлых породах, однако предпочтительными являются мерзлые пески из-за их низкой сопротивляемости размыву, при этом в мерзлых породах с влажностью близкой к полному влагонасыщениею фильтрация хранимого продукта в массив практически исключена [39]. Однако, в глинистых породах строительство более энергозатратно и ведется с большими тепловыми потерями [10, 38, 48]. В связи с этим более экономично вести строительство подземных резервуаров в

мерзлых песках, на разрушение которых энергозатраты ниже на 50-70%. Однако, в случае строительства резервуаров в отложениях мерзлых песков, необходимо учитывать, что при недостаточной водонасыщенности (льдистости) песчаный пласт не способен задерживать отходы бурения и текучие углеводороды. Мерзлый песок с небольшой льдистостью (до 0.2 д.е.) не является криогенным водоупором.

Согласно исследованию [38] льдистость определяет энергетические затраты на разрушение продуктивного пласта. В ряде случаев мерзлые пески могут содержать лед в количествах существенно ниже естественной пористости, более того, песчаные частицы вообще могут не быть связаны между собой льдом-цементом. При наличии таких зон в стенке выработки невозможно гарантировать получение проектной формы выработки в процессе строительства и эксплуатации. Так же встречаются пласты, в которых объемное содержание льда превышает поровый объем скелета крупнообломочного материала. В этом случае экранирующие свойства мерзлых песков достаточны для хранения любых жидких продуктов, однако, длительная прочность песков снижается из-за отсутствия сцепления между песчаными частицами.

Для повышения экономической эффективности захоронения отходов бурения желательно создавать большие по объему подземные хранилища (снижаются удельные финансовые затраты на один кубометр выработки). При этом необходимо учитывать, что в мерзлых песках максимальный пролет выработки, обеспечивающий устойчивость кровли, не превышает 22-25 м [1], т.е. для создания хранилища большого объема требуется мощный пласт мерзлых песков. Также к пласту мерзлых песков выдвигаются требования по глубине заложения: минимальной глубиной заложения свода подземных резервуаров является глубина нулевых годовых амплитуд. В то же время при приближении резервуара к дневной поверхности растет риск просадки покрывающих пород в процессе строительства и эксплуатации. Из опыта работ по СГД при глубине отработки мерзлых дисперсных грунтов более 100-120 м образование провалов на поверхности не зафиксировано [35].

С точки зрения геокриологических условий оптимальной глубиной заложения для подземных резервуаров являются мерзлые песчаные отложения с температурой не выше минус 3 °С. Учитывая геотермический градиент для равнинных участков, составляющий около 2,5 - 3,0 °С на 100 м, на Ямальском полуострове максимальная глубина заложения выработок составляет 100-120 м, в Якутии - до 250 м.

Идеальными условиями для строительства подземных резервуаров является пласт мерзлых песков, удовлетворяющий следующим требованиям:

• мощность песчаного пласта не менее 10 м;

• температура вмещающих мерзлых пород ниже минус 3 °С;

• кровля продуктивного пласта располагается не ближе 10-15 м от дневной поверхности, т.е. ниже слоя нулевых годовых амплитуд, чтоб избежать воздействия сезонных колебаний температур на кровлю выработки;

• отсутствие глинистых прослоев мощностью более 0,5 м;

• льдистость мерзлых песков не ниже 0,3 для предотвращения миграции хранимого продукта в массив и ниже 0,5 для обеспечения большей эффективности размыва.

Наиболее близкой технологией к созданию подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах является технология скважинной гидродобычи погребенных россыпей. Учитывая опыт работ по скважинной гидродобыче Аренса В.Ж., Бабичева Н.И., Хрулева, A.C., Башкатова А.Д., Гридина О.М. мерзлое состояние пород кровли предъявляет дополнительные требования к способу подъема и конструкции скважины, так как тепловое воздействие приводит к оттаиванию пород вокруг скважины и их обрушению. С другой стороны мерзлые породы являются практически непроницаемыми и их прочность на сжатие может достигать 100 кг/см , что позволяет применить способ подъема вытеснением гидросмеси или комбинированный способ вытеснение-эрлифт [6, 7, 33, 45].

В настоящее время определение прочностных и деформационных характеристик мерзлых пород происходит в период проведения инженерных изысканий на предполагаемом участке строительства подземных резервуаров.

Согласно СНиП 11 -02-96 «Инженерные изыскания для строительства» мерзлые грунты отбираются из скважины и доставляются в лабораторию для определения физических и физико-механических свойств в ненарушенном состоянии. Затем происходит определение их гранулометрического состава, физических, химических, водно-фильтрационных и физико-механических свойств при постоянной отрицательной температуре. Однако тут необходимо отметить, что организации, выполняющие лабораторные исследования и камеральную обработку полученных материалов, выдают физико-механические и деформационные свойства фунтов только при одном значении температуры. В то же время мерзлые грунты при изменении температуры существенно меняют свои прочностные и деформационные характеристики (рис. 1.6а, 1.66) [18, 71].

2

Рисунок 1.6 а) Изменение прочности мерзлых песков на одноосное сжатие в зависимости от температуры (1 - лед; 2 - песок; 3 - глина); б) Изменение прочности мерзлых пород на сдвиг в зависимости от температуры (1 - супесь; 2 - глина)

Прочность мерзлых пород может изменяться на порядок при уменьшении температуры от -5 до -1 °С. В связи с этим расчет устойчивости подземной выработки не может опираться исключительно на статичные данные инженерных изысканий и должен учитывать динамику прочностных и деформационных характеристик мерзлого массива во времени.

Для мерзлых дисперсных грунтов согласно [22, 57] определено понятие пластичномерзлого состояния, в котором грунты хоть и находятся в мерзлом состоянии при отрицательной температуре, но в то же время обладают

повышенными деформационными и пониженными прочностными характеристиками.

Для незаселенных грунтов характеристики пластичномерзлого состояния представлены в таблице 1.1 [22, 57].

Таблица 1.1

Температурные границы твердомерзлого состояния для дисперсных грунтов

Вид грунтов Разновидность грунтов

Твердомерзлый (5Р< 0,1 кПа'1) при г < ТИ, °С Пластичномерзлый (8Р >0,1 кПа"1) при /, °С Сыпучемерзлый при ? < 0 °С

Все виды скальных и полускальных грунтов Т„ = 0 - -

Крупнообломочный грунт Тн= 0 тн< К ть/ при < 0,8 при < 0,15

Песок гравелистый, крупный и средней крупности ТИ = -0,1

Песок мелкий и пылеватый г„=-0,з Тн<К ТЬ/ при 5Г < 0,8 при 0,15

Глинистый грунт Супесь Г„ = -0,6 Тн < / < ТЬ/

Суглинок 7*=-1,0

Глина Та = -1,5

Заторфованный грунт Тн = -0,7 (/,+ Т\ ) ТН<К Тьг -

Торф - К 0 -

Примечание: Ти — температурная граница твердомерзлого состояния минеральных грунтов, Т'и -то же, для заторфованных грунтов. Ть/- температура начала замерзания грунта, 0 С.

Для засоленных грунтов граница пластичномерзлого и твердомерзлого состояния сдвигается в сторону понижения температуры и может достигать для супесей минус 3 °С и минус 5 °С для суглинков и глин.

1.3. Оценка теплового воздействия при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров

В настоящее время хорошо описано тепловое воздействие при строительстве и дальнейшей эксплуатации подземных хранилищ, созданных шахтным методом. Описание тепловых режимов близи подземных шахтных выработок с точки зрения моделирования процессов теплового взаимодействия вмещающего массива с подземными выработками хорошо описано в работах Венгерова И.Р. (дополнить) [16,17].

Строительство подземных резервуаров в мерзлых породах через скважины имеет ряд существенных отличий от шахтного метода. Механическое воздействие на вмещающий массив от горнопроходческой техники, присутствия людей, вентиляция и т.д. в подземных скважинных резервуарах отсутствует. Тепловой режим вмещающего массива грунтов при строительстве подземных резервуаров через скважины определяется объемами подачи воды в подземную полость, ее температурой, количеством подаваемого пара, теплопроводностью и температурой мерзлого массива, теплофизическими особенностями покрывающих пород и временем разработки песчаного пласта. Исследование теплового режима мерзлых грунтов непосредственно в процессе строительства подземных резервуаров скважинным методом и при добыче полезных ископаемых методом скважинной гидродобычи представлено в работах Смирнова В.И., Хрулева A.C., Сильвестрова Л.К., Бобкова Ю.П. [12, 15, 38, 52].

В середине 20 века A.B. Лыковым сформулирована и решена задача теплопроводности, описывающая изменения температуры однородной среды при нахождении в нем цилиндра конечного размера с отличной температурой или выделяющим тепло [42].

Дифференциальное уравнение теплопроводности для круглой трехмерной цилиндрической области в цилиндрических координатах г, (р, z имеет вид:

дТ

— = а дт

гд2Т 1 дТ д2Т 1 д2Тл

■ +--+ —- + -

Су

.2 .. „2 ) ^7

.3.

удг г дг дг г д(р ;

где С - теплоемкость, Дж/(кг К); у - плотность, кг/м^; Т - температура, К; т - время, с; а - коэффициент температуропроводности, м2/с.

Если имеется симметрия относительно оси г, то оператор — тождественно

д(р

равен нулю, тогда получим:

f я2гр , ~>гр я2т-.Л

дТ__ дт~а

д1Т 1 дТ дАТ —г+--+—i

дг г дг dz'

+ -^-eo(r,z, г). с у

Для граничных условий второго рода на контуре цилиндра данное уравнение будет иметь следующее решение [42]:

где индексом «2» обозначены параметры, относящиеся к мерзлым грунтам, а «3» — к талым; Тр - температура хладагента в замораживающей колонке; а - коэффициент температуропроводности, м /с; ам - коэффициент абсолютной термодиффузии влаги, м /с; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); дгп - коэффициент относительной термодиффузии влаги, К"1; V - влагосодержание породы, кг/кг; у -

л

ПЛОТНОСТЬ, кг/м .

Тепловому взаимодействию подземных выработок, заполненных жидкими продуктами, посвящены работы Кузьмина Г.П. [37-39] с расчетом образования ледяной облицовки на стенках подземной выработки.

В 1975 г. Чабаном П.Д. и Гольдманом В.Г. поставлена задача образования ледяной облицовки на поверхности цилиндрической выработки, расположенной в мерзлом массиве [63, 72]. Приведенные расчеты опираются на следующие допущения: к моменту заполнения выработки водой окружающие мерзлые грунты имеют во всем объеме одинаковую отрицательную температуру; вода, заполнившая выработку, во всех точках объема имеет одинаковую положительную температуру; с начала заполнения выработки водой на границе вода-грунт мгновенно устанавливается температура замерзания, равная О °С; термическое сопротивление медленно нарастающего слоя льда не учитывается; уменьшение радиуса выработки по мере образования слоя льда незначительно.

На подвижной границе зон должно выполняться условие баланса тепла

Чх-Чт. =0ф£>

где и - потоки тепла на границе раздела талой и мерзлой зон; скорость движения границы зон; ()ф - объемная теплота фазовых переходов среды.

В процессе оттаивания грунтовой стенки:

= рКУс,

В процессе образования ледяной оболочки:

0ф2 = РУ »

где р - удельная теплота кристаллизации воды; 1¥с - суммарная влажность грунта; уск - плотность скелета грунта; у - плотность воды.

Начальные и граничные условия задачи: в резервуаре

до

дг.

= 0;диг=к=ип=0,

г=О

во вмещающем массиве

Со= ; = вп = Соо = > где и и 6> - соответственно температура воды и грунта; индексы «О» и «п» применены для обозначения температуры в начальный момент и на поверхности резервуара.

Процесс распространения тепла в твердом теле описывается дифференциальным уравнением Фурье, решением которой для шаровидной полости с описанными краевыми условиями является функция [42]:

_дг_ = 1

1 , 77-1 1 —егтс —== + -ехр

V

4К

где Ро - критерий Фурье; 77 =

Я

После преобразования при т] = 1 получим:

- ~Л0О ■

1 +

Я

Оценим теплообмен между водой и стенкой резервуара теплосодержанием воды в любой момент времени:

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Сурин, Степан Дмитриевич

4.4. Выводы

Проведенные расчеты показывают, что на стадии эксплуатации подземных резервуаров, предназначенных для захоронения отходов бурения, не происходит критического нагрева вмещающего массива мерзлых песков, что может повлечь за собой потерю устойчивости выработки. По результатам данного цикла расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Замерзание отходов бурения в подземных резервуарах происходит неравномерно с расположением талой зоны в нижней части камеры. Причем время промерзания отходов бурения зависит не только от объема резервуара, но и от глубины его заложения, литологического состава грунтового разреза и геометрии выработки.

2. Минимально возможное расстояние между соседними резервуарами с сохранением ненарушенного целика мерзлых пород зависит от объемов используемых резервуаров, теплофизических свойств грунтов, слагающих массив, и начальных температур отходов бурения, сбрасываемых в резервуар и составляет от 15 м для резервуаров объемом 2000 куб. м до 25 для 5000 куб.м.

3. Расстояние между эксплуатационной скважиной и подземной выработкой должно составлять не менее 80 м, для обеспечения эксплуатационной надежности выработки.

4. Использование сезонно-охлаждающих устройств в после захоронения отходов бурения существенно сокращает время промораживания буровых отходов в 3 и более раз.

Учет теплового взаимодействия подземных резервуаров между соседними выработками, вмещающими породами и объектами нефтегазового комплекса позволяет разрабатывать проектную документацию на строительство подземных резервуаров, корректировать расчет устойчивости выработок с учетом зоны теплового влияния на вмещающие породы и закладывать системы геотехнического мониторинга на основании результатов прогнозного моделирования динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров. Создана методика, позволяющая разрабатывать технологические регламенты на строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и их дальнейшую эксплуатацию при хранении жидких углеводородов и захоронении отходов бурения.

Анализ результатов проведенного моделирования строительства подземных резервуаров и их эксплуатации показывает, что можно в простой форме представить следующие параметры:

• Температуры грунтов вблизи обсадной колонны на этапе строительства;

• Распределение температур за контуром подземных резервуаров в процессе строительства в зависимости от объема выработки и температуры подаваемой воды;

• Время восстановления температурного режима вмещающего массива после создания подземных резервуаров;

• Необходимую температуру охладителя при известных температурах летнего периода, требуемую для захолаживания вмещающего массива при хранении жидких углеводородов;

Изменение температуры грунтов за контуром резервуара в зависимости от температуры утилизируемых отходов бурения;

• Время промерзания отходов бурения в подземных резервуарах в зависимости от их объема и глубины заложения;

• Расстояние между объектами нефтегазового комплекса и подземными резервуарами, обеспечивающими надежность их эксплуатации.

Глава 5 - Расчет экономических показателей

При расчете экономических показателей эффективности строительства подземных резервуаров учитывалась общая стоимость захоронения буровых отходов в подземных резервуарах на Бованенковском НГКМ. Для определения общих затрат были рассмотрены следующие основные технологии: захоронение твердых отходов в наземных полигонах; захоронение жидких отходов после их очистки при закачке в поглощающую скважину; обезвоживание жидких отходов на газофакельной установке; захоронение твердых и жидких отходов после их механической подготовки закачкой в глубокие скважины с гидроразрывом пласта-коллектора; захоронение жидких и твердых отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах на глубине 20-100 м от поверхности.

По воздействию на экологию региона наименее благоприятными являются варианты захоронения твердой фазы буровых отходов в наземных полигонах и термического обезвоживания жидких отходов на газофакельной установке, так как имеет место длительное взаимодействие отходов 4 класса опасности с земной поверхностью, поверхностными водами и воздухом. Закачка в глубокие скважины жидких отходов или твердых и жидких отходов с использованием гидроразрыва пласта приводит к загрязнению подземных вод и нарушению гидрогеологической обстановки, так как, кроме изменения фильтационных свойств подземного коллектора, не исключает миграции опасных реагентов, находящихся в подвижном состоянии. Способ захоронения твердых и жидких отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах, с учетом непроницаемости мерзлых пород обеспечивает наибольшую изоляцию отходов от окружающей природной среды. Кроме этого, температура замерзания буровых отходов составляет около минус 1,5 °С, что, при температуре вмещающих многолетнемерзлых пород около минус 4 - минус 5 °С, будет приводить к

137 постепенному переходу жидких отходов бурения в твердомерзлое состояние. Таким образом, с точки зрения обеспечения экологической безопасности, вариант захоронения отходов бурения в подземные резервуары, создаваемых в многолетнемерзлых породах, является наиболее предпочтительным.

Для сравнения экономических затрат были рассчитаны варианты по следующим технологическим схемам (рис. 5.1):

1. Технологическая схема с закачкой сточных вод в поглощающие горизонты

1.1 а) Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он захоранивается; б) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в иех на установку утилизации и далее закачивается в поглощающие скважины.

В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его разравнивания в специально обустроенных картах, также стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость поглощающей скважины и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку буровых отходов и продуктов утилизации.

1.2 а) Буровой шлам от буровой установки вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он отверждается; б) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в иех на установку утилизации, далее закачивается в поглощающие скважины.

В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона (меньшего размера, чем в варианте 1.1) и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его перемещения. Там же на полигоне ставится установка отверждения шлама (в отапливаемом помещении) с целью его дальнейшего использования на отсыпку площадок и дорог.

Способы обращения (изоляция, захоронение, утилизация) с буровыми отходами на Бованенковском НГКМ

Способы обращения с буровыми отходами I

Закачка жидкой фазы отходов в поглощающие горизонты

Термическое обезвреживание жидкой фазы отходов

А.

Буровой шлам захоранивается в карьере №3

Жидкая фаза отходов тра н спо рти руется в цех на установку утилизации ОБР на ПББ, далее закачивается в поглощающие скважины

Жидкая фаза отходов транспортируется в цех на установку утилизации ОБР на ПББ, далее термически обезвреживают наГФУГП-2

Буровой шлам отверждается в карьере №3

Захоронениев подземные резервуары (ООО «Подзем Газпром»)

Отходы бурения (буровой шлам и жидкая фаза) захораниваются на каждой кустовой площадке

Отходы бурения (буровой шлам и жидкая фаза) захораниваются на централизованном полигоне

Совместная закачка отходов бурения в глубокие горизонты с гидроразрывом пласта

О4

Отходы бурения (буровой шлам и жидкая фаза) закачиваются в скважину на централизованном полигоне в районе пбб

Рис. 5.1 - Возможные варианты утилизации буровых отходов на Бованенковском НГКМ

Кроме того, учтена стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость поглощающей скважины и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку буровых отходов и продуктов утилизации.

2. Технологическая схема с термическим обезвреживанием сточных вод:

2.1 а) Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер. где он захоранивается; б) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в цех на установку утилизации, далее термически обезвреживается на газофакельной установке.

В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его разравнивания в специально обустроенных картах, также стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, газофакельная установка и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку отходов бурения и продуктов утилизации.

2.2 а) Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он отверждается; б) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в цех на установку утилизации. далее термически обезвреживается на газофакельной установке.

В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона (меньшего размера, чем в варианте 1.1) и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его перемещения. Там же на полигоне ставится установка отверждения шлама (в отапливаемом помещении) с целью его дальнейшего использования на отсыпку площадок и дорог. Кроме того, учтена стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость газофакельной установки и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку отходов и продуктов утилизации.

3. Технология ООО "Подземгазпром ".

3.1 Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захораниваются в подземные резервуары на каждой кустовой площадке.

140

В капитальные затраты включена стоимость бурения скважин до 100м глубины, монтаж, оборудование и техника для строительства и стоимость их эксплуатации, стоимость контейнеров для сбора шлама на кустовых площадках и стоимость инженерного обеспечения.

3.2 Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захоранивается на централизованном полигоне подземного захоронения отходов бурения.

В капитальные затраты включена стоимость бурения скважин до 100м глубины, монтаж, оборудование и техника для строительства и стоимость их эксплуатации, стоимость контейнеров для сбора шлама на кустовых площадках и стоимость инженерного обеспечения.

4. Технология совместной закачки отходов бурения в глубокие горизонты под давлением методом гидроразрыва пласта. Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захораниваются на иентрализованном полигоне подземного захоронения отходов бурения.

В капитальные затраты включена стоимость отапливаемого помещения для размещения установки по закачке отходов под давлением, стоимость резервуаров для приема бурового шлама и жидких отходов бурения, стоимость поглощающей скважины, автомобилей для доставки отходов бурения от кустовых площадок до установки закачки, техники для перегрузки отходов из контейнеров на установку закачки, подстанции водозаборной для технологических нужд.

Для расчётов были приняты исходные данные, приведенные в таблице 5.1.

В качестве методической основы, определения экономических показателей утилизации отработанных буровых растворов приняты "Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования" (вторая редакция), утвержденные Госстроем России, Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Госкомпромом России, № ВК 477 от 21 июня 1999 года. Расчёты произведены по каждому году в целом за 3-х летний период утилизации в ценах, действующих на 01.01.2007 г. Расчет экономического эффекта произведён в динамике по годам за 3 летний период эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, позволяющее сохранять в устойчивом состоянии резервуары в мерзлом массиве в течение длительного времени при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения, что имеет важное народно-хозяйственное значение для районов распространения многолетнемерзлых пород.

Основные научные результаты и практические выводы диссертационной работы, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Тепловое воздействия на мерзлые породы вблизи стенок подземных резервуаров влияет на их устойчивость за счет изменения прочностных и деформационных свойств мерзлых пород, при этом на этапе сооружения мощность пластичного песчаного слоя за стенкой резервуара обратно пропорциональна температуре внутри подземного резервуара. Вблизи обсадной колонны не происходит перехода мерзлых грунтов в пластичномерзлое состояние при соблюдении технологии строительства, при этом естественное поле температур вблизи обсадной колонны подземного резервуара восстанавливается в течение нескольких суток.

2. На стадии сооружения подземного резервуара при соблюдении рационального теплового режима подаваемое в резервуар тепло идет только на

145 оттаивание мерзлых песков и не проходит вглубь массива, вследствие чего не происходит увеличение температуры мерзлых грунтов, и пески не переходят в пластичномерзлое состояние, что обеспечивает сохранение устойчивости выработки в процессе строительства. В процессе создания резервуаров скорость движения границы области повышенной естественной температуры в массив мерзлых грунтов сопоставима с линейной скоростью оттаивания стенки.

3. Показано, что при равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади смоченной поверхности в кровле подземного резервуара.

4. Показано, что скорость промерзания отходов в подземных резервуарах различна по вертикали и горизонтали и зависит от глубины их заложения. При этом в естественных условиях отношение вертикальной скорости промерзания к горизонтальной обратно пропорционально глубине заложения подземных резервуаров и возрастает от 5 до 10 раз с увеличением глубины заложения с 15 до 75 м.

5. Промерзание отходов бурения в подземных резервуарах происходит неравномерно с возможным образованием талого ядра в нижней части камеры. Причем время промерзания отходов бурения зависит не только от объема резервуара, но и от глубины его заложения, литологического состава грунтового разреза и геометрии выработки.

6. Сохранение мерзлого состояния вмещающего массива зависит от объемов используемых резервуаров, теплофизических свойств пород, слагающих массив, и начальных температур утилизируемых отходов бурения, при этом для обеспечения эксплуатационной надежности расстояние между эксплуатационной скважиной и резервуаром должно составлять не менее 44 м для эксплуатационных скважин с теплоизоляцией; для скважин без теплоизоляции - 80 м.

7. Установлена эмпирическая зависимость, показывающая, что на стадии эксплуатации подземных резервуаров при цикличном режиме заполнения жидкими углеводородами и их отборе необходимая температура, до которой требуется охлаждение жидких отходов в зимнее время, составляет: тохя = ф 944 -103- Твозд - 48.

Результаты, полученные в настоящей работе, учтены при разработке проектов геотехнического мониторинга подземного склада ГСМ на территории Бованенковского НГКМ и в рабочих проектах по проектированию сериилтодземных резервуаров для захоронения отходов бурения общим объемом до 300 тыс. м3. В настоящее время на основании проведенных исследований создается программный продукт, моделирующий размыв подземного резервуара в мерзлых породах различного генезиса и структуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сурин, Степан Дмитриевич, 2013 год

Список использованной литературы

1. Аксютин O.E., Казарян В.А., Ишков А.Г., Хлопцов В.Г., Теплов М.К., Хрулев A.C., Савич О.И., Сурин С.Д. Строительство и эксплуатация резервуаров в многолетнемерзлых осадочных породах. - М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013 - 432 с.

2. Александров Ю.А. Охлаждение пластично-мерзлых грунтов кустовой системой парожидкостных СОУ. Материалы всесоюзного совещания «Геокриологический прогноз при строительном освоении территории». Воркута, Госстрой СССР, 1985, кн. 2. - с. 283-286.

3. Арене В.Ж. Физико-химическая геотехнология. - М., МГГУ, 2001. - 656

с.

4. Арене В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. - М., Недра, 1976.-279 с.

5. Арене В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. - М., «Недра», 1980. - 229 с.

6. Арене В.Ж., Шпак Д.Н., Хрулев A.C. и др. Добыча песка и гравия через скважины. «Автомобильные дороги». №6, 1985.

7. Бабичев Н.И. Технология скважинной гидродобычи полезных ископаемых. Учебное пособие. - Изд. МГРИ, 1981. - 85 с.

8. Бабичев Н.И., Либер Ю.В., Кройтор Р.В., Левченко E.H. Скважинная технология добычи титано-циркониевых песков Тарского месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. № 2. - М., 1999. - с. 127-128.

9. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород. - М., Недра, 1975.-272 с.

10. Балобаев В.Т. Процессы теплообмена на поверхности обнаженных мерзлых мелкодисперсных грунтов при послойном оттаивании. Тепло- и массообмен в мерзлых почвах и горных породах. - М., 1961.-е. 25-43.

11. Бобов Н.Г., Саркисян P.M. К инженерно-геокриологическому обоснованию ледогрунтовых хранилищ нефтепродуктов. Тепловое и механическое взаимодействие мерзлых пород с инженерными сооружениями. - М., 1973. - с. 5864.

12. Бобков Ю.П., Куляпина С.И., Месяц В.И. и др. О технологии добычи песка в районах Крайнего Севера через буровые скважины. Проблемы горной теплофизики. II Всесоюзн. научн. техн. конф. по горнотехнической теплофизике. -Л., 1981.-е. 131-132.

13. Бучко H.A. Исследование сезоннодействующих охлаждающих устройств для промораживания грунтов в гидротехническом строительстве. Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск, 1983. - с. 29-41.

14. Васильев Л.Л., Вааз СЛ. Замораживание и нагрев грунта с помощью охлаждающих устройств. - Минск, Наука и техника, 1986. - 192 с.

15. Васяев Г.М., Гинсбург Ю.М., Пястолов А.Д. Бесшахтные резервуары в мерзлоте. «Газовая промышленность», №12, 1994. - с. 10-12.

16. Венгеров И.Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. Том 1. Анализ парадигмы. - Донецк. Изд. Норд-Пресс, 2008. - 630 с.

17. Венгеров И.Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. Том 2. Базисные модели. - Донецк. Изд. Норд-Пресс, 2008. - 685 с.

18. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. - М., Изд. АН СССР, 1959. - 190 с.

19. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. - Л., Стройиздат, 1969. - 104 с.

20. Гольдман В.Г., Знаменский В.В., Чистопольский С.Д. Гидравлическое оттаивание мерзлых горных пород. - Магадан, ВНИИ-1, 1970. - 440 с.

21. Гоголев Е.С., Карсавин А.Н. Определение коэффициента теплоотдачи на моделях ледяных русел. Метеорология и гидрология. - 1982. №9. - с. 83-88.

22. ГОСТ 25100-95. «Грунты. Классификация».

23. Гридин О.М., Сурин С.Д., Савич О.И. Исследование теплового воздействия на многолетнемерзлые породы при хранении жидких углеводородов в подземных резервуарах. Горный информационно-аналитический бюллетень. №6., -М., 2011.-с. 319-324.

24. Дмитриев А.П., Гончаров A.C., Термодинамические процессы в горных породах. - М., Недра, 1983. - 390 с.

25. Долгих Г.М., Долгих Д.Г., Окунев С.Н. Технические решения по замораживанию грунтов оснований, применяемые НПО «Фундаментстройаркос». Материалы Международной конференции «Криосфера нефтегазовых провинций». -Тюмень., Изд. Тиссо - М., 2005. - 56 с.

26. Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю., Лисицына О.М., Проблемы захоронения радиоактивных отходов в криолитозоне. Геоэкология. №5. - М., 1995.

27. Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю., Лисицына О.М., Многолетнемерзлые породы как среда захоронения экологически опасных отходов. Геоэкология. №1. -М., 1997.

28. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. - М.: Недра, 1974. - 239 с.

29. Иванцов О.М. Хранение сжиженных углеводородных газов. - Недра, М., 1973.-224 с.

30. ИИГКИ-ПХВП-85 «Инструкция для проектирования и строительства подземных хранилищ жидких углеводородов».

31. Инженерное мерзлотоведение. Отв. ред. Мельников П.И., Вялов С.С. -М., Наука, 1976.-208 с.

32. Исаченко В.А., Осипова A.C. и др. Теплопередача. - М., Энергия, 1969. - 440 с.

33. Казарян В.А., Хрулев A.C., Савич О.И., Сурин С.Д., Шергин Д.В., Горшков К.Н.. Строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для хранения жидких углеводородов и захоронения промышленных отходов. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. №6- М., 2012 - с. 42-45.

34. Карпухин А.Н., Савич О.И., Сурин С.Д. Особенности процесса оттаивания многолетнемерзлых песков при скважинной гидродобыче на полуострове Ямал. Горный информационно-аналитический бюллетень. №4. - М., 2010.-с. 365-377.

35. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных горных породах. - М., Научный мир, 2003 - 608 с.

36. Коротаев Ю.П., Кривошеин Б.Л., Семенов Л.П. и др. Экспериментальное исследование динамики протаивания мерзлых пород вокруг скважины. Нефтяное хозяйство. №11.- М., 1970.

37. Кузьмин Г.П. Подземные сооружения в криолитозоне. - Новосибирск. Изд. Наука, 2002. - 176 с.

38. Кузьмин Г.П., Яковлев A.B. Подземные резервуары в мерзлых грунтах. -Якутск. Институт мерзлотоведения СО РАН, 1992. - 152 с.

39. Кузьмин Г.П., Яковлев A.B. Способ хранения жидкого топлива. -Якутск. ЦНТИ, 1991. ИЛ №50-91.

40. Курилко, A.C., Кисилев В.В., Хохолов Ю.А., Романова Е.К. Рациональное использование естественного холода в регулировании температурного режима подземного холодильника. Наука и образование. №4. -2000. - с. 66-69.

41. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. -М.-Л. Госэнергоиздат, 1959. -414 с.

42. Лыков A.B. Теория теплопроводности. - М., Высшая школа, 1967. - 600

с.

43. Материалы II Всесоюзной конференции по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых. - 1975.

44. Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах. - М., Недра, 1987. - 232 с.

45. Небера В.П., Бабичев Н.И. Геотехнологические способы извлечения полезных ископаемых из недр. - М., Цветметинформация, 1975. - 65 с.

46. Основы геокриологии. Под ред. Э.Д. Ершова. - М., МГУ, 2002. - 682 с.

47. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. - М., Наука, 1984. - 288 с.

48. Петросян JI.P., Мосин В.Д. Разрушение мерзлых грунтов высоконапорными струями при устройстве траншей и котлованов. «Основания, фундаменты и механика грунтов», №5. - М., 1985 - с. 25-27.

49. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М., Недра, 1978.-390 с.

50. Саввин Е.Д., Федоров Ф.М. Скорость оттаивания мерзлых глинистых пород при размыве. Бюлл. научн. технич. информации. Якутск. ЯФ СО АН СССР, 1981.-с. 7-11.

51. Савич О.И., Карпухин А.Н., Сурин С.Д. Использование отработанных камер скважинной гидродобычи песка для хранения жидких углеводородов и захоронения отходов бурения на нефтегазоконденсатных месторождениях полуострова Ямал. Горный информационно-аналитический бюллетень №3. - М., 2010.-с. 298-305.

52. Сильвестров JI.K. Подземное хранение воды в мерзлых горных породах. Матер. II Всесоюзн. научн-техн. конф. по проблемам горной теплофизики. - Л., 1981.-с. 100.

53. Синельникова О.Л., Федоров Б.Н. Изменение температуры продукта в подземной емкости при ее заполнении. Использование газа, подземное хранение газа. - М., Недра, 1977. Вып. 8-9. - с. 111-113.

54. Смирнов В.И. Строительство подземных газонефтехранилищ. -М., Газоилпресс, 2000. - 250 с.

55. Смирнов В.И., Хрулев A.C., Игошин А.И. Добыча строительных песков и сооружение подземных хранилищ на полуострове Ямал средствами скважинной гидротехнологии. Сборник докладов отраслевой научно-практической конференции в ООО «Ямбурггаздобыча» «Актуальные проблемы и новые технологии освоения месторождений углеводородов Ямала в XXI веке», ИРЦ ОАО «Газпром». - 2004.

56. Смирнов В.И., Лавров Н.П., Хрулев A.C. Новые технологии добычи песка и строительства подземных хранилищ в осадочных породах при освоении севера Тюменской области. НТС «Подземное хранение газа», приложение к журналу «Наука и техника в газовой промышленности». - М., 2004. - с. 30-38.

57. СП 11-105-97. «Инженерно-геологические изыскания для строительства».

58. Сурин С.Д., Карпухин А.Н. Оценка теплового воздействия при строительстве скважинных резервуаров для захоронения отходов бурения. Горный информационно-аналитический бюллетень. №12. - М., 2009 - с. 297-305.

59. Сурин С.Д. Оценка теплового воздействия на массив мерзлых пород при захоронении буровых отходов в подземных резервуарах. Горный информационно-аналитический бюллетень. №5. - М., 2010 - с. 309-330.

60. СНиП 34-02-99. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. - М., Строрйиздат, 1999. - 32 с.

61. СП 34-106-98. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. - М., ИРЦ ОАО «Газпром», 1999. - 110 с.

62. Трофимов В.Т. Полуостров Ямал. - М, МГУ, 1975. - 278 с.

63. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов при строительстве подземных сооружений. М., Недра, 1975. - 343 с.

64. Хохолов Ю.А. Расчет температурного режима подземных сооружений на основе трехмерной математической модели.. Международная конференция, посвященная 30-летию ИФТПС. Часть 1. - Якутск, 2000. - с. 350-360.

65. Хрулев A.C., Лавров Н.П., Зайцева О.Д. Перспективы разработки глубокозалегающих россыпей методом скважинной гидродобычи. Сб. научных трудов ЯФ СО АН СССР, Якутск. - 1988.

66. Хрулев A.C., Папко В.П., Якунин О.Н. Экспериментальные исследования технологических процессов скважинной гидродобычи золотоносных песков из многолетнемерзлых россыпей. Труды ВНИИ-1. - Магадан. 1988. - стр. 2027.

67. Хрулев A.C., Карпухин А.Н., Сурин С.Д. Обоснование скважинной гидродобычи песка на полуострове Ямал. - М., Горный информационно-аналитический бюллетень. №8. - М., 2011. - с. 328-336.

68. Хрулев A.C., Савич О.И., Карпухин А.Н., Шергин Д.В., Гридин О.М. Особенности оттаивания многолетнемерзлых пород при создании скважинных подземных резервуаров. - М., Горный информационно-аналитический бюллетень. №8. -М., 2011.-с. 310-320.

69. Хрусталев J1.H. Основы геотехники в криолитозоне. - М., МГУ, 2005. -

542 с.

70. Хрусталев JI.H., Медведев A.B., Пустовойт Г.П. Многолетние изменения температуры воздуха и устойчивость проектируемых сооружений в криолитозоне. -М., Криосфера Земли, 2000, т. УI, № 3. с. 35-41.

71. Цытович H.A. Механика мерзлых грунтов. - М. Высшая школа, 1973. -

446 с.

72. Чабан П.Д., Гольдман В.Г., Клишевич В.В. и др. Определение толщины слоя ледяной облицовки подземных выработок. Колыма. 1975. №8. - с. 10-14.

Приложение А. Геологическая характеристика Бованенковского НГКМ

Район работ находится в северо-западной части территории контура

газоносности Бованенковского НГКМ. Административно Бованенковское НГКМ

входит в состав Ямальского района, Ямало-Ненецкого автономного округа

Тюменской области и расположен в западной части полуострова Ямал.

Территория Бованенковского НГКМ представляет собой плоскую, в разной

степени расчлененную речной и овражной сетью аккумулятивную низменную

равнину. Наиболее низкие отметки характерны для пойм рек (3-6 м).

Водораздельные участки представлены главным образом склонами и останцами

третьей морской террасы с абсолютными отметками 30-40 м. Непосредственно

153

участки строительства подземных резервуаров расположены на кустовых площадках газовых скважин. Абсолютные отметки поверхности участков изменяются в пределах от 12 до 40 м.

Климат исследуемого района характеризуется как арктический с холодной и продолжительной зимой (до 9,5 месяцев) и коротким прохладным летом. Средняя многолетняя годовая температура воздуха составляет по данным метеостанций Харасавэй и Марре-Сале соответственно минус 9,8 °С и минус 8,3 °С. Средняя минимальная температура воздуха в феврале составляет у мыса Харасавэй минус 28,2 °С , у фактории Марре-Сале минус 25,7 °С. Средняя максимальная температура воздуха самого теплого месяца - июля составляет по данным метеостанций Харасавэй и Марре-Сале 9,8 °С и 11,0 °С, соответственно. Среднемноголетние амплитуды температур воздуха изменяются от 34 °С до 43-44 °С. Продолжительность теплого периода по многолетним наблюдениям составляет в среднем 110-115 дней. Среднее число дней со снежным покровом составляет 236. Годовое количество осадков выпадает около 400 мм. Примерно половина всех осадков приходится на теплый период - с июня по сентябрь. Устойчивый снежный покров образуется в середине октября. Средняя дата разрушения снежного покрова наблюдается в период с 16 мая по 8 июля. Основное значение в формировании высоты снежного покрова имеют ветры и рельеф. Мощность снежного покрова на возвышенных участках 5-15 см, в понижениях до 3 - 4 м. Средние скорости ветра в рассматриваемом районе изменяются в диапазоне 5,2-7,5 м/сек. В зимнее время преобладают восточные и юго-восточные ветры, в летнее - преимущественно северного направления.

На территории строительства подземных резервуаров были проведены

инженерно-геокриологические изыскания с целью получения исходных данных по

условиям площадки строительства подземного резервуара для захоронения буровых

отходов. Согласно данным ООО «Подземгазпром» на кустовых площадках

Бованенковского НГКМ проведено бурение параметрических скважин глубиной

до 150 м со сплошным отбором и описанием керна, отбором монолитов для

лабораторных испытаний с целью определения физико-механических свойств

грунтов. По завершении бурения в большинстве скважин проведены опытные

154

работы по определению экранирующих свойств пород и термометрические наблюдения.

Объектом настоящих исследований являются четвертичные отложения.

Наиболее молодыми осадками являются нерасчлененные верхнеплейстоцен -

голоценоеые озерные, озерно-аллювиальные и аллювиальные (I, а1 III - IV) отложения,

которые слагают днища дренированных озерных котловин, озер и долины рек.

Представлены они преимущественно суглинками и супесями, содержащими

прослои песков, большое количество включений плохо разложившихся

растительных остатков, прослоев и линз оторфованности. Мощность отложений

варьирует от 5 до 10 м. Верхнеплейстоценовые отложения III морской террасы

(тш2-з) слагают местные водоразделы с абсолютными отметками 25-36 м, редко до

40 м. В пределах исследуемой территории данные отложения вскрыты на

нескольких кустовых площадках. Представлены они суглинками и глинами, в

верхней части разреза с прослоями песков и супесей. Отложения насыщены

органическим материалом в виде черных примазок, вкраплений, прослоев, реже - в

виде прослоев и линз торфа. Мощность толщи составила 23 м.

Верхнеплейстоценовые отложения казанцевской свиты (тцц) залегают под

озерными и аллювиальными верхнеплейстоцен-голоценовыми отложениями или

отложениями III морской террасы на водораздельных участках. В верхней части

разреза отложения часто представлены суглинисто- супесчаными породами, причем

наблюдается литологическая изменчивость, как в разрезе, так и по простиранию.

Характерной чертой суглинков и супесей является большое количество

органического вещества в виде черных примазок, вкраплений, прослоев. Нижняя

часть казанцевских осадков представлена песками преимущественно пылеватыми,

реже - мелкими, с тонкой горизонтальной или косой слоистостью, часто с

прослоями суглинка и супеси, с включениями оторфованных растительных

остатков, в том числе в виде тонких (1-5 мм) прослоев торфа. Местами в нижней

части песчаной толщи встречаются редкие включения гравия и мелкой гальки.

Мощность отложений казанцевской свиты составила от 18 до 39 м. Казанцевские

отложения повсеместно подстилаются породами салехардской свиты среднего

плейстоцена (ш112-4), являющимися верхним горизонтом мощной толщи ямальской

155

серии. Кровля отложений салехардской свиты залегает на отметках минус 20 - 40 м. Отложения представлены суглинками серыми, темно-серыми, с многочисленными прослоями песка и супеси. Прослои приурочены, главным образом, к верхней части салехардской толщи (до глубины примерно 100 м). Вскрытая мощность салехардской толщи составляет более 90 м.

Подошва четвертичных отложений на территории Бованенковского НГКМ до глубин 150 м по данным инженерных изысканий не вскрыта.

Согласно данным ООО «Подземгазпром» геокриологический разрез

Бованенковского НГКМ в пределах изученной мощности отложений 15-100 м

характеризуется неоднородным строением. Сплошное распространение

многолетнемерзлых пород по разрезу не нарушается. Подземный лед в изученной

многолетнемерзлой толще встречен в различных морфологических модификациях -

в виде цемента, заполняющего поры в породе и невидимого невооруженным глазом

(массивная криогенная текстура), линз и прослоев различных направлений и

толщины (линзовидная, слоистая, сетчатая криотекстуры), в виде массы,

включающей агрегаты породы (атакситовая криотекстуры), а также в виде

практически монолитных массивов (пластовые льды). Большинство изученных

разрезов характеризуются сходными закономерностями изменения криогенного

строения пород по глубине. Сильнольдистым является приповерхностный горизонт

озерно-аллювиальных отложений мощностью 2 - 5 м. Здесь присутствуют сетчатая,

слоистая, местами атакситовая криогенные текстуры, льдистость за счет видимых

включений составляет 30 - 60%. В нижней части озерно-аллювиальной толщи

льдистость снижается до 5 - 30%; еще меньше она у подстилающих казанцевских

суглинков (г, = 3 - 10%), редко до 20%). Казанцевские пески и супеси видимых

включений льда практически не содержат. В салехардских суглинках также

преобладает массивная криотекстура, местами наблюдаются единичные или редкие

ледяные шлиры различного направления толщиной преимущественно 1-2 мм, редко

до 10 мм; видимая льдистость здесь в большинстве случаев не превышает 5%.

Распределение суммарной объемной льдистости в плане и разрезе подчиняется тем

же закономерностям, что и распределение видимой льдистости, т.е.наиболее

льдонасыщенными (it0, до 80-90%) являются верхние горизонты: в пределах морской

156

террасы мощностью до 28 м, в пределах аллювиальных и озерных поверхностей- до 5 м. Ниже происходит постепенное снижение суммарной льдистости, причем значения ее убывают в литологическом ряду: пески-супеси-суглинки-глины.

Среднегодовая температура многолетнемёрзлых пород

Геотермический градиент не превышает 0,02-0,03 °С/м.

Принимая во внимание незначительную продолжительность периода поверхностного стока на территории Бованенковского НГКМ (около четырех месяцев), низкие значения среднелетней температуры речной воды (до 10 °С) и подземных вод в подрусловых таликах (от 0,1 до 2,0 °С), малые гидравлические уклоны поверхностей стока и невысокую проницаемость русловых отложений, даже под руслами рек с постоянным стоком, ширина которых варьируется от 50 до 120 м, а глубина - от 1,0-1,5 до 3,5-4,5 м, сквозные талики отсутствуют. На площадках строительства подземных резервуаров в геологическом разрезе талики отсутствуют.

Основным факторам формирования теплового режима многолетнемерзлых пород является орографический и геоботанический, так как с ними неразрывно связаны толщина и плотность снежного покрова. Разнонаправленное действие рассмотренных выше факторов формирует закономерности изменчивости геотемпературного поля. В целом для территории месторождения значения среднегодовой температуры пород изменяются в пределах от 0 до минус 8,0 °С при среднеинтегральном (фоновом) значении от минус 4,0 до минус 6,0 °С.

Глубина сезонного оттаивания грунтов зависит большей частью от

литологического состава и свойств грунтов, мощности торфяного горизонта,

растительного покрова и дренированности поверхности. В целом для исследуемого

района характерны небольшие глубины сезонного оттаивания грунтов, что вызвано

невысокими температурами воздуха в теплый период года, большой влажностью и

значительной дисперсностью грунтов. Наименьшие глубины сезонного оттаивания

(0.2-0.4 м) характерны для участков, сложенных с поверхности торфом или

заторфованными грунтами. В глинистых грунтах в зависимости от их влажности, а

также от вида и толщины растительного покрова глубина сезонного оттаивания

изменяется от 0.4-0.7 до 1.0-1.3 м. Наибольшие глубины сезонного оттаивания

отмечаются в песках на дренированных участках и составляют 1.3-1.5 м. Сезонное

157

оттаивание грунтов начинается во второй половине июня - первой половине июля и заканчивается в середине сентября - начале октября. Промерзание сезонноталых грунтов завершается в декабре - первой половине января.

Средние значения суммарной влажности песков казанцевской свиты, так же, как и песков и супесей салехардской свиты составляют 25 - 27%, плотности - 1,87 -

о

1,89 г/см . В салехардских суглинках средняя влажность равна 28%, средняя плотность 1,91 г/см3.

Преобладание в разрезе засоленных разновидностей грунтов обуславливает присутствие в них значительного количества незамерзшей воды. Ее количество растет при увеличении степени засоленности и в ряду песок - супесь - суглинок -глина. При температуре, примерно соответствующей естественной температуре грунтов (минус 4°С для озерно-аллювиальных и морских отложений казанцевской свиты и минус 3 °С для пород салехардской свиты), влажность за счет незамерзшей воды в казанцевских песках составила от 1 до 6% (среднее значение 2,5%), в салехардских песках - от 5 до 9% (среднее значение 7%); в супесях озерно-аллювиальной и казанцевской толщи 1,5 - 11% (среднее 5 - 5,5%), в супесях салехардской свиты 7 - 17% (среднее 11%).

Температура начала замерзания (Тм-) незасоленных грунтов озерно-аллювиального генезиса близка к нулю градусов. Температура начала замерзания казанцевских песков составила от нуля до минус 0,6 °С, преобладающие значения минус 0,1 - минус 0,2 °С. Более засоленные салехардские пески начинают замерзать при более низкой температуре минус 0,4 минус 0,6 °С. Такая же закономерность наблюдается в супесях: в казанцевских - Т^ = 0,0 минус 0,7 °С (среднее минус 0,2 °С), в салехардских - Тьг минус 0,7 + минус 2,3 °С (среднее минус 1,2 °С). Сильнозасоленные салехардские суглинки имеют низкую температуру начала замерзания: от минус 1,1 до минус 2,9 °С, среднее значение минус 2,0 °С.

Сведения о прочностных и деформационных характеристиках ММП на

территории Бованенковского НГКМ предоставлены ООО «Подземгазпром».

Деформационные и прочностные характеристики грунтов определись при

температурах от минус 5 °С до 2 °С. Коэффициент сжимаемости мерзлого грунта

варьирует от 0,001 МПа"1 в незасоленных песках до 0,05 МПа"1 в сильнозасоленных

158

грунтах. Коэффициент оттаивания максимальных значений (0,13 - 0,18) достигает в льдистых грунтах; в большинстве проб грунтов верхнеплейстоценового возраста его значения составили 0,01 - 0,05.

Значения предельно-длительной прочности грунтов в зависимости от литологического состава, степени засоленности и температуры эксперимента составили от 0,14 до 2,02 МПа; эквивалентное сцепление - от 0,03 до 0,65 МПа. Максимальные значения характерны для незасоленных и слабозасоленных песков вне зависимости от температуры эксперимента, минимальные значения - для сильнозасоленных грунтов глинистого состава (в том числе для грунтов смешанного состава) при температуре минус 3 °С. Предельно-длительные значения модуля линейной деформации наибольших значений (0,18 - 0,56 МПа) достигают также в незасоленных и слабозасоленных песках при обеих температурах эксперимента, низкие значения (0,01 - 0,14 МПа) характерны для сильнозасоленных песков, глинистых пород и пород смешанного состава.

Коэффициент сжимаемости мерзлых голоценовых и верхнеплейстоценовых отложений составляет преимущественно 0,02 МПа"1, максимальные его значения достигают 0,03-0,04 МПа"1. В салехардских породах, более засоленных и испытываемых при более высокой температуре, коэффициент сжимаемости в песках составил в среднем 0,03 МПа"1, в супесях и суглинках 0,04 МПа"1; максимальные значения показателя в песках составило 0,04 МПа"1, в супесях 0,07 МПа'1, в суглинках 0,10 МПа"1.

По результатам испытаний грунтов на одноосное сжатие наиболее прочными являются казанцевские пески, значение предельно-длительной прочности в них варьирует от 0,36 до 2,0 МПа, составляя в среднем 1,05-1,08 МПа; средние значения эквивалентного сцепления (Сеч) в пробах казанцевского песка составили 0,38-0,41 МПа. В глинистых грунтах голоценового и верхнеплейстоценового возраста Яс равно в среднем 0,6-0,8 МПа, Сея = 0,26-0,33 МПа. Грунты салехардской свиты являются наименее прочными, в песках ^ от 0,22 до 0,45 МПа (среднее значение 0,34 МПа), в глинистых грунтах 0,12-0,46 МПа (средние значения 0,21 и 0,25 МПа). Значение Сеч в салехардских песках в среднем равно 0,18 МПа, в супесях 0,08 МПа, в суглинках 0,13 МПа.

Данные по температурам грунта за в точках наблюдения (рис. Б21), полученные в результате численного моделирования процесса утилизации отходов бурения в подземных резервуарах, представлены в таблице Б11.

Таблица Б11

Температура вблизи подземного резервуара объемом 3500 м3 с глубиной заложения подошвы до

42.5 м

Температура БО +8.1 точка №

время 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 месяц -1,04 -1,48 -1,85 -1,47 -1,94 -2,33 -3,05 -3,15 -3,22 -3,49 -3,49 -3,49

2 месяца -0,89 -1,23 -1,53 -1,18 -1,57 -1,92 -1,81 -2,16 -2,45 -2,46 -2,46 -2,46

3 месяца -0,81 -1,09 -1,35 -1,01 -1,35 -1,66 -1,45 -1,75 -2,03 -3,26 -3,27 -3,28

4 месяца -0,76 -1,01 -1,24 -0,94 -1,24 -1,51 -1,32 -1,58 -1,83 -2,82 -2,85 -2,90

5 месяцев -0,73 -0,96 -1,16 -0,80 -1,06 -1,32 -1,23 -1,47 -1,69 -1,38 -1,71 -2,00

6 месяцев -0,71 -0,92 -1,10 0,76 -1,01 -1,18 -1,18 -1,39 -1,60 -1,41 -1,68 -1,92

1 год -0,65 -0,79 -0,92 -0,71 -0,89 -1,07 -1,05 -1,21 -1,35 -1,15 -1,33 -1,49

5 лет -0,90 -0,96 -1,02 -0,88 -1,01 -1,12 -1,59 -1,65 -1,70 -1,76 -1,84 -1,90

20 лет -1,57 -1,59 -1,61 -1,61 -1,65 -1,69 -1,80 -1,84 -1,89 -2,03 -2,07 -2,11

50 лет -1,62 -1,68 -1,70 -1,72 -1,76 -1,80 -2,02 -2,06 -2,09 -2,30 -2,32 -2,35

Расчетное время полного перехода буровых отходов в мерзлое состояние - 176 лет.

Максимальный размер зоны пластичномерзлого состояния для мерзлых грунтов за контуром резервуара составил 0.25 м. Максимальный размер зоны теплового влияния в мерзлых песках, где температуры по сравнению с естественными увеличились на 0.5 °С равен 13.0 м.

Рис. Б22 — Изменение температуры грунтов во времени за контуром подземного резервуара (в 25 см от его стенки) объемом 3500 м3 с глубиной заложения подошвы до 42.5 м

Расчетное время полного перехода буровых отходов в мерзлое состояние - 185 лет.

Максимальный размер зоны пластичномерзлого состояния для мерзлых грунтов за контуром резервуара составил 1.0 м. Максимальный размер зоны теплового влияния в мерзлых песках, где температуры по сравнению с естественными увеличились на 0.5 °С равен 8.5 м.

время, год

Рис. Б24 - Изменение температуры грунтов во времени за контуром подземного резервуара (в 25 см от его стенки) объемом 2500 м3 с глубиной заложения подошвы до 52.5 м

Время, прошедшее с момента начала захоронения отходов бурения до прекращения нагрева массива мерзлых грунтов, составляет 1 год и 7 месяцев.

13. Резервуар объемом 3000 м3, глубина заложения до 52,5 м.

по »л

1 1 1

3000 куб м

«00 •о; .10

СО

«24 ЧС1 • >» ..О

*0 ЛИ *0 лк с о

ЯЛ Л с, *> Щ •Я «00 <10 «и ео Щ

"я

«о

«5

Рис. Б25 — Расчетная схема разбивки грунтового массива, принятая для расчетов, для резервуара объемом 3000 м , глубиной заложения до 52.5 м и точки снятия температурных отчетов

Время, прошедшее с момента начала захоронения отходов бурения до прекращения нагрева массива мерзлых грунтов, составляет 1 год и 8 месяцев.

Л

14. Резервуар объемом 4000 м . глубина заложения до 52,5 м.

Hi '0 11 -¿Л il -U и 'й -U _ia Si ta M it 1Л u >4 -1M и Ifi^jsij Mfj 'lij lit iii. ш

Е4

гм

£31

КЛ

m

laJ

*t> Jи

Г f

S£

• • 14

m

■

Дч

Рис. Б27 - Расчетная схема разбивки грунтового массива, принятая для расчетов, для резервуара объемом 4000 м3, глубиной заложения до 52.5 м и точки снятия температурных отчетов

Данные по температурам грунта за в точках наблюдения (рис. Б27), полученные в результате численного моделирования процесса утилизации отходов бурения в подземных резервуарах, представлены в таблице Б14.

время, год

Рис. Б28 - Изменение температуры грунтов во времени за контуром подземного резервуара (в 25 см от его стенки) объемом 4000 м3 с глубиной заложения подошвы до 52.5 м

Максимальный размер зоны пластичномерзлого состояния для мерзлых грунтов за контуром резервуара составил 0.7 м. Максимальный размер зоны теплового влияния в мерзлых песках, где температуры по сравнению с естественными увеличились на 0.5 °С равен 14.5 м.

180

Таблица Б14

Температура вблизи подземного резервуара объемом 4000 м3 с глубиной заложения подошвы до

52.5м

Температура БО +8.1 точка №

время 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12

1 месяц -1,05 -1,49 -2,01 -1,47 -1,93 -2,32 -3,06 -3,15 -3,21 -3,49 -3,49 -3,49

2 месяца -0,90 -1,22 -1,65 -1,17 -1,56 -1,91 -2,00 -2,34 -2,60 -3,47 -3,47 -3,47

3 месяца -0,81 -1,08 -1,44 -1,02 -1,35 -1,65 -1,36 -1,71 -2,02 -3,38 -3,38 -3,38

4 месяца -0,76 -0,99 -1,31 -0,94 -1,24 -1,51 -1,21 -1,51 -1,78 -3,00 -3,02 -3,06

5 месяцев -0,72 -0,92 -1,19 -0,89 -1,15 -1,40 -1,12 -1,38 -1,62 -2,22 -2,34 -2,49

6 месяцев -0,70 -0,88 -1,13 -0,85 -1,09 -1,33 -1,07 -1,30 -1,52 -1,38 -1,70 -1,96

7 месяцев -0,69 -0,86 -1,11 -0,81 -1,04 -1,26 -1,03 -1,25 -1,45 -1,19 -1,47 -1,72

1 год -0,68 -0,84 -1,08 -0,72 -0,91 -1,10 -0,94 -1,10 -1,26 -0,99 -1,19 -1,37

5 лет -1,47 -1,54 -1,65 -1,36 -1,44 -1,51 -1,61 -1,67 -1,72 -1,71 -1,78 -1,84

20 лет -1,67 -1,71 -1,76 -1,67 -1,72 -1,77 -1,77 -1,82 -1,86 -1,94 -1,98 -2,02

50 лет -1,73 -1,75 -1,79 -1,75 -1,78 -1,82 -1,95 -1,99 -2,02 -2,17 -2,20 -2,22

Расчетное время полного перехода буровых отходов в мерзлое состояние -216 лет.

Время, прошедшее с момента начала захоронения отходов бурения до прекращения нагрева массива мерзлых грунтов, составляет 1 год и 8 месяцев. 15. Резервуар объемом 3500 м3, глубина заложения до 62,5 м.

•7в *J> •i ЧЧЧ'Т"

Ч <

«0 3500 куб м

«4

•м

ее

яв

II*

• 10

■ ■

tt

о. ■

•и ■

- ■

п

"1

Рис. Б29 - Расчетная схема разбивки грунтового массива, принятая для расчетов, для резервуара объемом 3500 м3, глубиной заложения до 62.5 м и точки снятия температурных отчетов

В результате проведенных расчетов получена величина максимальной зоны перехода пластичномерзлого состояния грунтов вблизи контура подземных резервуаров. Величина этой зоны составила 1.05 м, причем в течение 1 года и 8 месяцев начинается процесс охлаждения массива вблизи подземного резервуара.