Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Прогресс в решении глобальной проблемы освоения подземного пространства и, в частности, использование верхних слоев земной коры как среды для строительства подземных хранилищ различного назначения, основан на резком увеличении использования газообразных и жидких углеводородов.
Особая роль газонефтепродуктов в решении энергетических и экономических проблем страны способствовала разработке принципиально новых технологических решений в области строительства подземных резервуаров. Однако, несмотря на стремительное развитие науки и производства, в высших учебных заведениях до сих пор отсутствует полноценная учебная литература, позволяющая готовить специалистов на современном уровне развития отрасли.
Автору книги «Строительство подземных газонефтехранилищ», известному ученому и специалисту в области подземного строительства В.И. Смирнову удалось систематизировать и обобщить отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации подземных хранилищ газообразных и жидких углеводородов.
В течение нескольких десятилетий В. И. Смирнов принимает непосредственное участие в проведении научных исследований и решении практических задач по развитию техники и технологии строительства подземных хранилищ. Многие из технологий, описанных в этом учебном пособии, разработаны лично им или под его научным руководством.
Нет никаких сомнений, что книга профессора, доктора технических наук В.И. Смирнова позволит студентам высших учебных заведений, обучающимся по специальности «Горное дело», получить знания, необходимые для формирования инженерных навыков самостоятельной работы в этой специфической области подземного строительства.
Академик РАН Е. И. Шемякин
ВВЕДЕНИЕ
В топливно-энергетическом балансе России около 80 % составляют газ, нефть и продукты их переработки.
Для России существенным признаком является неравномерный характер потребления газонефтепродуктов, резко различающиеся климатические условия и географическая разобщенность районов добычи, переработки и максимального потребления жидких и газообразных углеводородов, что существенно влияет на надежность транспортно-распределительной системы. Надежность таких систем можно повысить резервированием газонефтепродуктов на промыслах, нефтегазоперерабатывающих заводах, по трассам магистральных трубопроводов и у потребителя.
К хранилищам газонефтепродуктов предъявляются жесткие требования: обеспечение безопасности обслуживающего персонала и населения; предотвращение экологических нарушений окружающей среды; способность противостоять значительным избыточным давлениям и коррозионному воздействию хранимых продуктов. Решить проблему хранения жидких и газообразных углеводородов путем строительства резервуарных парков из традиционных металлических резервуаров при значительных объемах хранения и перечисленных требованиях к безопасности, надежности и экономической эффективности практически невозможно.
В этой связи использование верхних слоев земной коры как среды для создания подземных хранилищ различного назначения потребовало постановки и решения принципиально новых научно-технических задач, связанных с сооружением и эксплуатацией незакрепленных выработок- емкостей (резервуаров) в различных геологических условиях (каменная соль, вечномерзлые и другие породы).
Развитие техники и технологии подземного строительства и необходимость обеспечения надежной работы транспортно-распределительной системы жидких и газообразных углеводородов явились основой для интенсивного развития нового направления горной науки - подземного хранения газа, нефти и продуктов их переработки.
Подземное хранилище - это комплекс подземных и наземных сооружений, обеспечивающий прием, хранение и отбор продуктов.
При проектировании подземных хранилищ учитываются следующие основные требования:
сохранение качества продуктов при их непосредственном длительном контакте с горными породами;
уравновешивание избыточного давления хранимых продуктов массивом пород при определенной глубине заложения выработки-емкости.
Такие хранилища обеспечивают стратегические запасы углеводородного сырья и топлива, регулируют пиковую и сезонную неравномерности их потребления, используются как резерв в период ремонта или аварийных ситуаций на перерабатывающих заводах и трассах магистральных трубопроводов, являются региональными базами оперативного и длительного хранения жидких и газообразных углеводородов.
В последнее время область применения подземных резервуаров существенно расширилась: они используются в качестве технологических аппаратов, в том числе при сепарации нефти и газового конденсата при промысловой подготовке жидких и газообразных углеводородов к транспортированию, а также для продувки газовых скважин.
Начало разработки проблемы подземного хранения газа, нефти и продуктов их переработки в устойчивых непроницаемых породах в России относится к 1959 г., когда в системе газовой промышленности было создано первое в этой области научное подразделение, впоследствии преобразованное в Научно-исследовательское и проектное предприятие по сооружению и эксплуатации подземных хранилищ «Подзем- газпром», ставшее ведущим в нашей стране по разработке оригинальных, а порой, не имеющих аналогов в мировой практике технологий хранения сжатого природного газа, гелия, этилена, сжиженных углеводородных газов, газового конденсата, товарных нефтепродуктов, а также технологий захоронения промышленных, в том числе радиоактивных, отходов.
Интенсивное развитие подземного резервуаростроения объясняется существенным преимуществом подземных резервуаров по сравнению с базами наземного хранения. Так, применение подземных хранилищ обеспечивает существенное снижение капитальных вложений и эксплуатационных затрат, уменьшаются размеры земельных участков, отчуж-
даемых под склады, несопоставимо ниже их пожаро- и взрывоопасность, кроме того, воздушный бассейн не загрязняется выбросами углеводородных паров.
От механических, теплофизических и химических свойств горных пород зависят методы сооружения резервуаров подземных хранилищ.
Горно-проходческими методами сооружают подземные резервуары в гипсе, доломите, известняке, мергеле, граните, гнейсе, вечномерзлых и других породах.
Строительство бесшахтных резервуаров осуществляется через буровые скважины методом растворения каменной соли.
Строительство подземных резервуаров методом камуфлетных взрывов возможно в пластичных глинистых породах в результате их уплотнения и упрочнения под действием взрывных волн и давления газов, образующихся при подземном взрыве.
В геологическом отношении территория России обладает огромным потенциалом в части возможностей создания подземных хранилищ (рис. 1). В европейской части расположено девять соляных площадей и бассейнов, в азиатской - шесть. При этом существует гипотеза, что все сибирские бассейны объединяются в одну провинцию, простирающуюся от Байкала до Таймыра. Месторождения каменной соли отличаются друг от друга геологическим возрастом, морфологией соляных тел, мощностью и глубиной залегания, гидрогеологическими условиями, тектоникой и минеральным составом. В одних бассейнах соляные тела представлены куполами, штоками, валами, залежами, где мощность соли достигает 10ОО м и более. В других соляные тела встречаются в виде пластов и линз, мощность которых колеблется от нескольких метров до 60-80 м.
Восточнее Иркутской области и Республики Саха вплоть до Тихого океана соленосные отложения отсутствуют.
На 30 % территории нашей страны распространены вечномерзлые породы, пригодные для создания подземных выработок-емкостей без крепления.
Гипсы, ангидриты, магматические и метаморфические кристаллические породы и глины в целом равномерно распределены по терри-
Рис. 1. Районы развития горных пород, благоприятных для строительства подземных хранилищ газонефтепродуктов
Рис. 2. Классификация подземных газонефтехранилищ
тории всей страны и пригодны для создания выработок-емкостей горно-проходческими способами. Классификация подземных газонефтехранилищ в зависимости от горногеологических условий приведена на рис. 2.
Наиболее экономично и перспективно сооружение подземных резервуаров бесшахтным способом, когда в забое выработки отсутствуют люди и машины, а процессы выемки и транспортировки горной массы на поверхность осуществляются непрерывно. К числу таких методов относятся, прежде всего, физико-химические, когда свойства разрабатываемых сред определяют технологию их выемки, в частности, растворение пресной водой каменной соли через буровые скважины.
В общем объеме созданного в мире подземного резервуарного парка на долю выработок, сооружаемых растворением каменной соли,
приходится 80-85 %, а сооружаемых горно-проходческим способом - 15-20%.
Вместе с тем, следует отметить, что в учебниках горного направления не уделяется должного внимания проблемам строительства подземных газонефтехранилищ. В этом учебном пособии сделана первая попытка систематизировать и обобщить наиболее передовой опыт строительства и эксплуатации подземных хранилищ газообразных и жидких углеводородов.
Цель учебного пособия - дать студентам знания, необходимые для формирования навыков самостоятельной разработки научно обоснованных рекомендаций при выборе участков недр, перспективных для строительства подземных хранилищ, методов проектирования и расчета незакрепленных подземных выработок-емкостей, способов обеспечения их прочности, устойчивости и долговечности, способов и методов строительства и эксплуатации подземных резервуаров, способов и средств механизации горно-строительных работ, обеспечивающих их высокую эксплуатационную надежность, экономичность и экологическую безопасность.
Законы рыночной экономики предъявляют новые, более «жесткие» требования к подготовке современных специалистов для горной промышленности.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать требования к инженерно-геологическим условиям участков строительства подземных резервуаров, общие закономерности деформирования породного массива, вмещающего выработки-емкости, принципы проектирования эффективных конструкций подземных резервуаров для конкретных горно-геологических условий, методы испытания подземных резервуаров на герметичность;
уметь, пользуясь нормативными документами или используя специальные методы, оценивать устойчивость незакрепленных выработок- емкостей в породах, проявляющих реологические свойства, и выбирать по условию устойчивости необходимую форму и размеры выработок, определять необходимые для устойчивой эксплуатации максимальное и минимальное давления в подземном резервуаре и обосновывать выбор способов и средств обеспечения нормального состояния подземных резервуаров при минимальных капитальных и трудовых затратах,
рассчитывать на ЭВМ, используя стандартные программы, регламент сооружения подземных резервуаров, устойчивость выработок-емкостей от воздействия статических и динамических нагрузок, а также условия эксплуатации газонефтехранилищ.
История становления проблемы строительства подземных резервуаров горно-строительными способами базируется на работах видных российских ученых:
в области механики горных пород, физики взрыва и строительства подземных сооружений-К.М. Покровского, Г.И. Покровского, Е.И. Шемякина, Н.Г. Трупака, В.М. Мосткова, И.Д. Насонова, Б.А. Картозия, И.В. Баклашова, М.Н. Шуплика, Д.М. Голицынского и др.;
в области подземного растворения каменной соли через буровые скважины - П.Я. Кулле, М.П. Бельды, В.Ж. Аренса и др.
Учебное пособие подготовлено на базе результатов исследований, выполненных в Подземгазпроме (ОАО «Газпром»), В нем также использован отечественный и зарубежный опыт проектирования, строительства и эксплуатации подземных газонефтехранилищ.
В разработку технологии, теории и практики строительства и эксплуатации подземных газонефтехранилищ в каменной соли, вечномерзлых и других горных породах большой вклад внесли исследования О.М. Иванцова, В.А. Мазурова, А.Г. Позднякова, Б.Н. Федорова, В.А. Грохотова, В.А. Казаряна, В.Б. Сохранского, Л.Н. Кислер, Е.М. Шафаренко, А.И. Игошина, М.К. Теплова, Ю.М. Богданова, В.В. Борисова, В.И. Горифьянова, В.И. Шустрова, И.И. Зыбинова, ТВ. Скосаревой, В.И. Черкашенинова, П.И. Калашникова.
Отраслевая принадлежность научно-исследовательских институтов, проектных организаций и вузов, научные школы и традиции, сложившиеся в различных отраслях, привели к известной разобщенности в терминологии, в том числе и в строительстве подземных газонефтехранилищ. Поэтому для лучшего понимания сущности и условий применения технических терминов в конце учебного пособия приведен дополнительный практический материал.
Автор выражает искреннюю признательность проф. Б.А. Картозия, М.Н. Шуплику (МГГУ), канд. техн, наук В.Б. Сохранскому, М.К. Теплову и А.Г. Позднякову (Подземгазпром) за ценные советы и рекомендации при подготовке рукописи к изданию.
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ШАХТНОГО ТИПА ГОРНЫМ СПОСОБОМ
Глава 1
Виды подземных хранилищ н дсяовия нх применение
П одземные хранилища, сооружаемые горным способом, используют- ся как товарно-сырьевые парки нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических заводов; в качестве хранилищ для покрытия пиковых и сезонных неравномерностей потребления жидких углеводородов крупными городами и промышленными центрами; как перевалочные и распределительные базы хранения и пр. Резервуарными емкостями в таких хранилищах являются специально создаваемые или отработанные горные выработки, как правило, камерного типа. В общем случае хранилище представляет собой систему выработок: вскрывающих, око- лоствольных, подходных, вспомогательных и собственно выработок-емкостей. От внешней среды или вспомогательных выработок выработки-емкости отделяют специальными устройствами - герметичными перемычками. Хранилища этого типа сооружаются как на один, так и на несколько видов продуктов (комплексные хранилища). В них хранят нефть, мазут, дизельное топливо, керосин, бензин, предельные (бутан, пропан, этан) и непредельные (бутилен, пропилен, этилен) сжиженные углеводородные газы.
Подземные хранилища шахтного типав специально создаваемых и отработанныхгорных выработках
В трещиноватыхгорных породахс подпором под-земными водамиВ трещиноватыхгорных породахс подпором под-земными водамиВ непроницаемыхгорных породахВ непроницаемыхгорных породахВ проницаемых горных породахВ проницаемых горных породах
В трещиноватыхгорных породахс подпором под-земными водами
В трещиноватыхгорных породахс подпором под-земными водами
В непроницаемыхгорных породах
В непроницаемыхгорных породах
В проницаемых горных породах
В проницаемых горных породах
Рис. 1.1. Классификация подземных хранилищ шахтного типа
Определяющим фактором при установлении принципиальной возможности создания шахтных хранилищ и выборе их вида является наличие благоприятных геологических и гидрогеологических условий.
На рис. I. 1 приведена классификация подземных хранилищ шахтного типа.
В соответствии с классификацией подземные хранилища шахтного типа подразделяются на три вида, различающиеся способом достижения герметичности выработок-емкостей. Хранилище каждого вида может быть представлено выработками-емкостями как в специально создаваемых горных выработках, так и в существующих выработках отработанных месторождений полезных ископаемых и неиспользуемых подземных сооружений.
Хранилища, в которых герметичность выработок-емкостей при эксплуатации обеспечивается подпором подземных вод, чаще применяют в районах, сложенных трещиноватыми кристаллическими породами. Первоначально такие хранилища строились для сырой не-
Рис. 1.2. Принципиальная схема герметизации резервуара с притоком подземных вод в выработку-емкость:
/ - ствол; 2 - перемычка; 3 - выработка-емкость
фти и нефтепродуктов, хранящихся практически без избыточного давления. Позже выработки-емкости этого вида стали применять для хранения сжиженных нефтяных газов. Необходимым условием эксплуатации хранилищ является наличие такого местного уровня подземных вод, при котором давление столба воды на поверхность выработок превышало бы внутреннее давление продукта в выработке- емкости (рис. 1.2). Принцип эксплуатации таких хранилищ основан на том, что углеводородные жидкости легче воды. При соответствующем водоотливе движение подземных вод направлено по нормали к поверхности выработки-емкости (область депрессии) и будет препятствовать утечкам продукта из резервуара. Существуют две основные системы эксплуатации таких резервуаров: с постоянной и переменной водяными «подушками».
В первой системе на почве выработки-емкости путем водоотлива поддерживается постоянный уровень воды толщиной 0,3-0,5 м, на которой плавает продукт. Для продуктов с плотностью, близкой к единице, эта система эксплуатации имеет модификацию, когда водяная «подушка»
практически отсутствует, а вся вода отводится по канавкам, параллельным продольным сторонам выработки-емкости.
Во второй системе во время отбора продукта в выработку закачиваются равные количества воды, при этом выработка всегда заполнена жидкостью до кровли. Вторая система применяется при хранении легко испаряющихся нефтепродуктов, например, бензина, предотвращая образование в резервуаре паровой фазы, что исключает «большие дыхания» резервуаров, т. е. вытеснение на поверхность углеводородных паров при заполнении выработки-емкости. Однако на практике наибольшее применение нашла система с постоянной водяной «подушкой», поскольку здесь не требуется значительных затрат на закачку-выдачу больших объемов воды и ее очистку на поверхности земли.
В комплексных хранилищах, предназначенных для хранения нескольких видов продуктов, для предотвращения смешивания продуктов из соседних выработок-емкостей между ними создается дополнительный искусственный водяной барьер путем проходки небольшой выработки, располагающейся между выработками-емкостями параллельно их осям, в которую по скважинам нагнетается вода.
При создании подобных хранилищ приток воды в подземные выработки должен быть небольшим, как правило, менее 10 м3/ч по всем выработкам хранилища, так как в противном случае увеличивается стоимость строительства хранилища и эксплуатационные затраты в связи с необходимостью организации высокопроизводительного водоотлива. Поэтому трещины пород на участках выработок-емкостей, где встречены значительные притоки подземных вод, тампонируются цементным раствором.
В тех случаях, когда положение уровня подземных вод не обеспечивает необходимого давления на поверхность выработки или если в результате эксплуатации хранилища глубина депрессионной воронки над кровлей выработки достигнет критической величины, для обеспечения надежной водной завесы предусматриваются специальные мероприятия. Они заключаются в том, что параллельно оси выработки-емкости в ее окрестности проходят вспомогательные горные выработки малого сечения, из которых бурят скважины перпендикулярно основному направлению трещиноватости горного массива. Система вспомогательных выработок и скважин заполняется водой и в них поддерживается
давление, обеспечивающее необходимую водонасыщенность массива вокруг выработки-емкости.
Выработки-емкости, герметичность которых обеспечивается непроницаемостью вмещающих пород, строятся в районах, где в пределах глубин до первых сотен метров развиты водоупорные толщи достаточной мощности. Под практически непроницаемыми породами понимаются породы, способные служить экранами для нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов при давлениях, соответствующих высоте столба и упругости паров хранимых продуктов при температуре породного массива на глубине заложения выработок-емкостей. Оценка экранирующей способности пород осуществляется в соответствии со специальной классификацией пород-экранов. В общем случае это породы с проницаемостью менее 10"4мкм2.
Для сооружения шахтных хранилищ этого вида используются в основном различные устойчивые горные породы, не требующие для поддержания выработок-емкостей сплошных дорогостоящих крепей, такие как каменная соль, гипсы, ангидриты, глинистые сланцы, вечномерзлые породы.
Там, где отсутствуют устойчивые непроницаемые породы, шахтные хранилища создаются в плотных непроницаемых, но неустойчивых породах - глинах. Для поддержания выработок-емкостей в устойчивом состоянии в данном случае используется крепь.
Принципиальная схема шахтного хранилища в непроницаемых породах с положительной температурой приведена на рис. I. 3, а в вечномерзлых породах - на рис. I. 4.
В хранилищах, построенных в непроницаемых породах с положительной температурой, продукты хранятся в большинстве случаев при температуре породного массива, составляющей для средних глубин заложения выработок-емкостей 7-10 °C. При таких температурах нефть и нефтепродукты хранятся практически при атмосферном давлении. Углеводородные газы (бутан, пропан, этан, пропилен) содержатся в выработках-емкостях в сжиженном состоянии под избыточным давлением, соответствующим их упругости паров. При хранении этилена режим эксплуатации выработок-емкостей может быть различным. Хранение этилена при положительной температуре вмещающих пород осуществляется в условиях, близких к его критическому состоянию. В этом случае давле-
Рис. 1.3. Схема хранилища шахтного типа в непроницаемых породах с положительной температурой:1 - оголовок ствола; 2 - ствол; 3 - герметичная перемычка;4 - выработка-емкость; 5 - толща непроницаемых породРис. 1.3. Схема хранилища шахтного типа в непроницаемых породах с положительной температурой:1 - оголовок ствола; 2 - ствол; 3 - герметичная перемычка;4 - выработка-емкость; 5 - толща непроницаемых пород
Рис. 1.3. Схема хранилища шахтного типа в непроницаемых породах с положительной температурой:
1 - оголовок ствола; 2 - ствол; 3 - герметичная перемычка;
4 - выработка-емкость; 5 - толща непроницаемых пород
Рис. 1.3. Схема хранилища шахтного типа в непроницаемых породах с положительной температурой:
1 - оголовок ствола; 2 - ствол; 3 - герметичная перемычка;
4 - выработка-емкость; 5 - толща непроницаемых пород
ние в хранилищах составляет 5 МПа при температуре 10 °C. При таком давлении глубина заложения выработок-емкостей должна быть не менее 250 м по условию противодавления покрывающих пород.
В том случае, когда породы, пригодные для создания подземных хранилищ этилена, залегают на меньших глубинах, давление газа в выработках-емкостях снижают. Для этого этилен перед закачкой в выработки-емкости охлаждают до -20...-30 °C и в процессе эксплуатации под-
Рис. 1.4. Схема шахтного резервуара в вечномерзлых породах:
1 - технологическая скважина для слива нефтепродуктов в подземную выработку-емкость; 2 - трубопроводы; 3 - технологический колодец; 4 - выработка-емкость; 5 - наклонный ствол; 6 - погружной насос; 7 - ледяная облицовка
держивают температуру в этом интервале. При такой температуре давление в выработках-емкостях составляет соответственно 2,0-2,5 МПа. При хранении этилена в охлажденном состоянии глубина заложения хранилищ уменьшается до 100-150 м. В состав наземного оборудования хранилищ этилена в этом случае входит холодильное оборудование.
При хранении этилена к его чистоте предъявляются жесткие требования. Основными условиями являются отсутствие в этилене влаги (не более 5-7 мг/л) и механических примесей. Учитывая, что хранилища размещаются в практически непроницаемых породах, попадание подземных вод в выработки-емкости исключено, а природная влага в таких породах находится в прочносвязанном состоянии и не может привести к сколь-нибудь значительному увлажнению этилена. Кроме того, в отдельных случаях в технологической схеме на выходе из хранилища могут предусматриваться блоки осушки этилена.
Создание подземных хранилищ шахтного типа в практически непроницаемых вечномерзлых породах отличается определенной спецификой. При эксплуатации таких хранилищ требуется соблюдать необходимые температурные условия. Это связано с тем, что прочностные и фильтрационные свойства мерзлых пород и ледяной облицовки выработок-емкостей существенно зависят от температуры поступающих в хранилища продуктов. Чем ниже температура продуктов, тем сохраннее ледяная облицовка.
Герметичность подземных выработокхранилища обеспечивается, если максимальная естественная температура рабочей толщи (массив, в котором размещаются выработки) ниже температуры его оттаивания для дисперсных пород на 3 °C, а для скальных - на 1 °C.
В этой связи становится очевидным, что важнейшим условием применения подземных хранилищ в вечномерзлых породах является соблюдение теплового режима резервуара как в период его строительства, так и в процессе эксплуатации.
При хранении вязких продуктов (например, мазута) в хранилищах, сооружаемых в проницаемых и непроницаемых породах с положительной температурой, предусматриваются системы подогрева.
Вязкие нефтепродукты подогреваются в выработках-емкостях для облегчения перекачки и предотвращения отложений твердых осадков на стенках выработок-емкостей. Высоковязкие нефтепродукты закачивают-
ся в хранилище уже подогретыми. Поступая в хранилище, они нагревают окружающий массив пород, который превращается в аккумулятор тепла, обеспечивающий поддержание необходимой температуры в выработках-емкостях в течение продолжительного периода времени.
Для дополнительного подогрева продуктов в выработки-емкости закачивают горячую воду и устанавливают теплообменники. Горячая вода по трубопроводам закачивается в подстилающий слой воды, что обеспечивает подогрев хранимых продуктов в нижней части выработок-емкостей. В средней их части продукты прогреваются в зоне трубопроводов, по которым подается горячая вода. В зоне отбора продукты дополнительно подогреваются теплообменниками погружного типа.
Как показывает опыт эксплуатации подземных хранилищ, затраты на подогрев продуктов в выработках-емкостях значительно меньше затрат на аналогичные операции в наземных хранилищах, так как теплопотери в последних несравненно больше.
К хранилищам третьего типа относятся выработки-емкости с изоляцией стен металлом, бетоном, пластмассой и другими материалами для нефтепродуктов, а также для хранения сжиженных углеводородных газов (СУГ), сжиженного природного газа (СПГ) и этилена, эксплуатирующиеся при отрицательных температурах. В последнем случае в выработках-емкостях обычно сооружается теплоизоляция.
Шахтные хранилища с искусственной изоляцией могут сооружаться в различных геолого-гидрогеологических условиях и отличаются разнообразием конструкций, принципами и материалами герметизации в зависимости от вида хранимого продукта. Так, вертикальные выработки-емкости с искусственными герметизирующими покрытиями из пластмасс и бетона могут быть предназначены для сжиженных углеводородных газов, хранящихся в условиях избыточного давления при температуре окружающих пород. В вертикальных выработках могут создаваться также низкотемпературные ледопородные резервуары для сжиженных газов (пропана) с искусственным поддержанием в окружающем массиве пород температуры -42 “С, при которой пропан хранится под атмосферным давлением. В горизонтальных выработках, расположенных ниже местного уровня грунтовых вод, может храниться этилен и сжиженный природный газ (СПГ) при атмосферном давлении и низких отрицательных температурах, соответственно -104 и -162 °C.
Сферой рационального применения напорных подземных вертикальных выработок-емкостей для СУГ являются кустовые базы сжиженных газов (КБСГ) и газораспределительные станции (ГРС), где требуются хранилища относительно небольшого объема. При использовании вертикальных выработок-емкостей на КБСГ и ГРС вместо стальных резервуаров экономия металла может достигать 180 кг/м3.
Напорные горизонтальные выработки-емкости, поверхность которых выровнена слоем бетона и покрыта пластмассовыми листами, используются главным образом для хранения сжиженных газов (пропана, бутана).
Хранилища СУГ, этилена и СПГ в вертикальных и горизонтальных горных выработках, пройденных в проницаемых породах, должны эксплуатироваться в условиях низких отрицательных температур. Надежность хранилищ СУГ может обеспечиваться образующейся вокруг выработок- емкостей ледопородной толщей, а в хранилищах этилена и СПГ - возведением термоизоляционной и газонепроницаемой облицовок.
Подземные хранилища с искусственной изоляцией в проницаемых горных породах менее освоены и строятся значительно реже, чем хранилища в непроницаемых и трещиноватых обводненных породах с подпором подземными водами. Ограниченное применение таких хранилищ связано с их более сложным конструктивным исполнением, трудностями при возведении облицовок и большими капитальными вложениями.
Условия применения подземных хранилищ в специально пройденных горных выработках в равной степени относятся и к хранилищам, создаваемым в отработанных выработках рудных и нерудных месторождений, находящихся в аналогичных геолого-гидрогеологических условиях. Использование отработанных выработок может предусматривать использование всего выработанного пространства горнодобывающего предприятия, или его части, или даже отдельных выработок. В качестве примера на рис. I. 5 приведена схема переоборудования под хранилище нефтепродуктов комплекса выработок одного из соляных рудников. Возможность приспособления определяется геолого-гидрогеологическими условиями, обеспечивающими герметичность и устойчивость выработок, а также технической возможностью проведения инженерных мероприятий по их приспособлению (водоотлив, тампонаж трещиноватых зон, усиление целиков и пр.). На практике возможны ситуации, когда горизонтальные выработки приспособить под хранилище невоз-
Рис. 1.5. Схема подземного хранилища в отработанных горных выработках соляного рудника:1,2- вертикальные стволы рудника; 3 - околоствольный двор;4 - камеры электродепо и склады взрывчатых веществ; 5 - дыхательные скважины; 6 - выработки, оставшиеся после разработки полезного ископаемого;7 - герметичные перемычкиРис. 1.5. Схема подземного хранилища в отработанных горных выработках соляного рудника:1,2- вертикальные стволы рудника; 3 - околоствольный двор;4 - камеры электродепо и склады взрывчатых веществ; 5 - дыхательные скважины; 6 - выработки, оставшиеся после разработки полезного ископаемого;7 - герметичные перемычки
Рис. 1.5. Схема подземного хранилища в отработанных горных выработках соляного рудника:
1,2- вертикальные стволы рудника; 3 - околоствольный двор;
4 - камеры электродепо и склады взрывчатых веществ; 5 - дыхательные скважины; 6 - выработки, оставшиеся после разработки полезного ископаемого;
7 - герметичные перемычки
Рис. 1.5. Схема подземного хранилища в отработанных горных выработках соляного рудника:
1,2- вертикальные стволы рудника; 3 - околоствольный двор;
4 - камеры электродепо и склады взрывчатых веществ; 5 - дыхательные скважины; 6 - выработки, оставшиеся после разработки полезного ископаемого;
7 - герметичные перемычки
можно или нецелесообразно, но в другом горизонте по геологическим условиям возможно сооружение выработок-емкостей. В этом случае целесообразно использовать только существующую вскрывающую выработку с ее углублением на необходимое расстояние. В такой ситуации затраты на создание подземного хранилища снижаются на 15-25 % по сравнению со стоимостью заново создаваемого хранилища за счет использования, наряду с вскрывающей выработкой, существующей инфраструктуры предприятия.
В подземных хранилищах шахтного типа всех перечисленных видов применяется насосный способ выдачи хранимых продуктов и подтоварной воды. Исключением являются редко используемые хранилища для сжатого газа, где выдача продукта осуществляется за счет внутреннего давления в резервуаре.
Хранилища с насосным отбором продуктов подразделяются на хранилища с погружными насосами и насосами, располагаемыми в подземных насосных камерах. Погружные насосы размещаются в зумпфах выработок-емкостей, куда опускаются через специальные эксплуатационные скважины в комплексных хранилищах или, как правило, через вскрывающие выработки (стволы) в хранилищах на один вид продукта. В подземных насосных камерах могут размещаться как насосы с горизонтальным валом (при расположении почвы насосной камеры на уровне почвы выработки-емкости, так и насосы артезианского типа (когда насосная камера расположена выше выработки-емкости).
Строительство выработок подземных хранилищ шахтного типа осуществляется известными способами, нашедшими широкое применение в практике подземного строительства: буровзрывным способом в крепких породах, с применением проходческих комбайнов (чаше всего в каменной соли, гипсах, вечномерзлых породах) и проходческих щитов в слабых породах типа глин с возведением сплошной крепи.
К особенностям проектирования и строительства подземных хранилищ относятся выбор объемно-планировочных решений и конструкций выработок, технология герметизации выработок-емкостей, мероприятия, обеспечивающие устойчивость и герметичность выработок в вечномерзлых породах при строительстве и эксплуатации, приспособление отработанных горных выработок для хранения топлива.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Укажите область применения подземных хранилищ шахтного типа.
Дайте общую характеристику горно-геологических условий, определяющих возможность создания хранилищ различного типа.
Опишите принципы герметизации выработок-емкостей хранилищ.
На каких законах физики и гидродинамики основана система хранения углеводородов на водяной «подушке»?
Укажите различие в подходах к созданию хранилищ в специально создаваемых и отработанных горных выработках.
Глава 2
Проектирование и строительство подземных хранилищ
§ 1. Объемно-планировочные схемы
Под объемно-планировочной схемой подземного хранилища понимается объемная компоновка выработок-емкостей, вскрывающих выработок и выработок вспомогательного назначения. Это понятие не распространяется только на подземные вертикальные выработки-емкости, которые не представляют собой комплекса выработок, поскольку являются единичными резервуарами, размещаемыми в шахтных стволах. Для разработки объемно-планировочных схем необходимо установление, в первую очередь, следующих основных параметров подземных хранилищ: объема (по видам хранимых продуктов) и глубины заложения. Выбор основных параметров подземных газонефтехранилищ в каждом отдельном случае определяется конкретными условиями: объем - экономикой района, сезонной неравномерностью потребления продуктов, транспортными условиями снабжения продуктами потребителей, при создании хранилищ на нефтеперерабатывающих или нефтехимических предприятиях - потребностью этих производств; глубина заложения - конкретной геологией участка строительства и расчетными данными. Глубина заложения выработок-емкостей подземных хранилищ определяется глубиной залегания пригодной для строительства толщи пород (за исключением хранилищ с искусственной изоляцией, которые часто закладываются вблизи поверхности земли в переслаивающихся породах). Целесообразность заложения выработок-емкостей на этой глубине определяется технико-экономическим расчетом, а для напорных подземных хранилищ, кроме того, - расчетом на допустимое давление.
Минимально допустимая глубина заложения (по кровле выработок- емкостей) зависит от вида хранимого продукта. Хранилища нефтепродуктов целесообразно размещать с максимальным приближением к поверхности земли с тем, чтобы глубина залегания кровли непроницаемых пород обеспечивала образование разгружающего породного свода над выработками-емкостями. Обычно эта глубина составляет не менее 20 м для выработок-емкостей в породах с положительной темпера-
турой и не менее 10-15 м в вечномерзлых породах. Для хранилищ сжиженных углеводородных газов минимальная глубина заложения Hmin определяется с таким расчетом, чтобы максимально возможное давление газа в выработке-емкости ртах уравновешивалось давлением столба лежащих выше пород (в практически непроницаемых породах) или давлением столба подземных вод над кровлей выработок-емкостей (в трещиноватых породах):
Hmm=PmJlW- (И)
где ртах - максимальное давление продукта (Па), принимаемое на уровне кровли выработки-емкости; у, - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 0,8 (для шахтных резервуаров в породах с положительной температурой) и 0,7 (в остальных случаях); рг - усредненная плотность пород, залегающих выше кровли выработки, кг/м3;
pr = fp;m, /Xm,, /=1 /=1
Здесь п - число слоев; р; - плотность пород, кг/м3; т, - мощность слоя, м.
В проницаемых породах глубину заложения кровли выработок-емкостей шахтных резервуаров в породах с положительной температурой следует выбирать с таким расчетом, чтобы подпор подземных вод на кровлю выработок-емкостей превышал внутреннее давление в резервуаре не менее, чем на 0,05 МПа.
Глубину заложения кровли шахтных резервуаров в вечномерзлых породах следует принимать ниже слоя сезонных колебаний температуры.
Экономически целесообразная глубина заложения выработок-емкостей: для нефтепродуктов - 20-40 м, для сжиженных углеводородных газов - 80-100 м. Подземные хранилища крупных объемов (100-300 тыс. м3) могут строиться и на значительно большей глубине (до 200-400 м).
На выбор объемно-планировочных схем шахтных хранилищ влияет ряд факторов. В первую очередь, к таким факторам относятся параметры рабочей толщи (т. е. ее мощность, глубина залегания от земной поверхности, размеры и очертание в плане, угол падения), от которых при проектировании зависит выбор предельной высоты выработок-емкостей (особенно в рабочей толще ограниченной мощности), направление их
Горно-геологические условия
Вид хранимого продукта,; определяющего рабочее; давление в резервуаре \Вид хранимого продукта,; определяющего рабочее; давление в резервуаре \Объем резервуараОбъем резервуара5 Число сортовI хранимого продукта5 Число сортовI хранимого продуктаОсобенноститехнологииэксплуатацииОсобенноститехнологииэксплуатации
Вид хранимого продукта,; определяющего рабочее; давление в резервуаре \
Вид хранимого продукта,; определяющего рабочее; давление в резервуаре \
Объем резервуара
Объем резервуара
5 Число сортов
I хранимого продукта
5 Число сортов
I хранимого продукта
Особенноститехнологииэксплуатации
Особенноститехнологииэксплуатации
Глубина заложения выработки-емкостиГлубина заложения выработки-емкости: Параметры выработок- ; : -емкостей (пролет, сече- ; ; ние, высота, размер це- j ликов между выработками)^: Параметры выработок- ; : -емкостей (пролет, сече- ; ; ние, высота, размер це- j ликов между выработками)^) Число выработок) -емкостей и их взаимное\ расположение) Число выработок) -емкостей и их взаимное\ расположениеНаличие;вспомогательныхвыработок различного i назначенияНаличие;вспомогательныхвыработок различного i назначения
Глубина заложения выработки-емкости
Глубина заложения выработки-емкости
: Параметры выработок- ; : -емкостей (пролет, сече- ; ; ние, высота, размер це- j ликов между выработками)^
: Параметры выработок- ; : -емкостей (пролет, сече- ; ; ние, высота, размер це- j ликов между выработками)^
) Число выработок
) -емкостей и их взаимное
\ расположение
) Число выработок
) -емкостей и их взаимное
\ расположение
Наличие;вспомогательных
выработок различного i назначения
Наличие;вспомогательных
выработок различного i назначения
ТехнологиястроительстваТехнологиястроительстваТипвскрывающейвыработки
Технологиястроительства
Технологиястроительства
Рис. 1.6. Схема влияния различных факторов на элементы объемной планировки подземных хранилищ
продольного уклона, выбор габаритных размеров хранилища в плане и т. д. В общем виде мощность рабочей толщи лимитируется выражением
М > т + Li + h + m ,(1.2)
min крп’''
где Мтт - минимальная мощность рабочей толщи, м; ткр - минимальная мощность пород рабочей толщи в кровле выработки-емкости, м; L, i, h, - длина (м), уклон и высота (м) выработки-емкости соответственно; тп- минимальная мощность пород рабочей толщи в почве выработки-емкости, м; ткр и тп определяются по условиям прочности, но должны быть не менее 5 м каждая.
На рис. 1.6 приведены основные элементы объемной компоновки выработок и факторы, определяющие принятие того или иного решения.
Выбор параметров самих выработок-емкостей определяют горногеологические условия. С точки зрения компактности объемно-планировочных схем, наиболее желательны выработки максимально возможного сечения, при котором они сохраняют длительную устойчивость. Собственно этими соображениями руководствуются, создавая выработки больших размеров в скальных породах практически нео-
граниченной мощности (например, в массивах изверженных и метаморфических пород).
Ограниченная мощность пласта, в свою очередь, определяет допустимую высоту выработки, что особенно важно для хранилищ в практически непроницаемых породах, где в почве и кровле выработок-емкостей должны быть оставлены пачки непроницаемых пород.
Размер целиков, их форма, отношение к пролету протяженной выработки также оказывают непосредственное влияние на устойчивость резервуара в целом. Здесь наблюдается тенденция к оставлению целиков, наименьших по условиям устойчивости выработок.
Технология строительства (в первую очередь, принятый способ отработки и механизация производственных процессов) может выявить необходимость корректировки параметров выработок-емкостей в сторону уменьшения их размеров от максимально устойчивых. Характерным примером могут служить выработки-емкости с крепью в непроницаемых породах типа глин. Так, при технико-экономическом сравнении выработок- емкостей круглой формы поперечного сечения диаметром 5,5 м, пройденных при помощи механизированного щита, и выработок, пройденных вручную сечением станционного тоннеля метрополитена (55,5 м2), сравнение оказалось в пользу первых.
Примером определяющего влияния технологии проходки щитами (относительно небольшое сечение выработок, радиус закругления, который позволяет при проходке одним щитом обходиться без демонтажа оборудования в процессе строительства) могут служить хранилища в глинах: двухъярусное для сжиженных газов (рис. 1.7) и спиральное для нефтепродуктов (рис. 1.8).
Что касается формы выработок, то буровзрывной способ проходки позволяет осуществлять строительство выработок любой формы, заданной по условию устойчивости (с подъемистой или плоской потолочиной). Круглое сечение выработок характерно для хранилищ, построенных при помощи проходческих щитов в глинистых породах.
Для пород средней крепости (вечномерзлые, гипсы, соли и пр.) возможность увеличения поперечного сечения заключается в использовании комбайновой проходки выработок, в результате которой ослабленная зона вокруг выработок, характерная для буровзрывного способа, практически не образуется.
Рис. 1.7. Объемно-планировочная схема двухъярусного подземного хранилища в глинах для сжиженных углеводородных газов
Горно-строительные требования существенно влияют на выбор рациональной схемы расположения выработок-емкостей по условиям максимального упрощения системы проветривания выработок и транспорта породы в период проведения проходческих работ.
На рис. I. 9 и 1.10 приведены объемные планировки хранилищ в вечномерзлых и скальных породах. На рис. 1.10 показаны также вспомогательные выработки (наклонная и горизонтальные), обеспечивавшие автомобильную откатку с трех уровней отработки камер в период строительства.
Особенности технологии эксплуатации влияют на расчет параметров выработок-емкостей в вечномерзлых породах. Известно, что по мере понижения температуры вечномерзлых пород прочность их возрастает, при этом размеры целиков, обеспечивающие устойчивость вырабо- 26
675 м
Рис. 1.8. Объемно-планировочная схема спирального подземного хранилища для нефтепродуктов:
1 - вертикальные стволы; 2- насосные камеры со слепыми стволами; 3 - монтажно-щитовая камера; 4 - демонтажная щитовая камера; 5 - перемычки между выработками-емкостями
Рис. 1.9. Объемно-планировочная и технологическая схема подземного хранилища шахтного типа в вечномерзлых породах:
1 - скважины для слива нефтепродуктов; 2 - трубопроводы; 3 - эксплуатационный колодец; 4 - выработки-емкости; 5 - наклонный ствол; 6 - погружной насос; 7- центральная выработка-емкость;
8 - танкер
Рис. 1.10. Объемно-планировочная схема хранилища нефтепродуктов в скальных породах
ток-емкостей, уменьшаются. Соответственно с повышением температуры прочностные характеристики вечномерзлых пород снижаются. Поэтому чем выше тепловая нагрузка на породу, тем меньше должно быть принято сечение выработок-емкостей и больше ширина целиков между ними для обеспечения устойчивости резервуара. Существующий опыт убедительно показал, что шахтные хранилища могут успешно эксплуатироваться в условиях заполнения их продуктом с положительной температурой, не вызывающей оттаивания породы, что позволило значительно расширить область их применения. По опыту эксплуатации подобных хранилищ ширина целика 10-15 м между смежными протяженными выработками-емкостями, как правило, достаточна для обеспечения их устойчивости и предотвращения теплового взаимодействия при естественной температуре породы -5...-7 °C.
Общий объем проектируемого хранилища оказывает существенное влияние, например, на выбор числа вскрывающих выработок и их сечение, число и общую протяженность выработок-емкостей и т. д. При этом следует учитывать, что при определении объема выработок-емкостей заданный объем хранения продукта следует корректировать с уче-
том коэффициента вместимости резервуара, который при хранении нефти и нефтепродуктов не должен превышать 0,97, а при хранении сжиженных газов - 0,9.
Разносортность продуктов, намеченных к одновременному хранению, требует обязательного наличия околоствольной (коллекторной) выработки, не являющейся в период эксплуатации полезной емкостью, и расположения герметичных перемычек (их число равно числу одновременно хранимых продуктов) в подходных выработках. В хранилищах на один вид продукта герметичная перемычка, как правило, сооружается в стволе, коллекторная выработка отсутствует. Размещение герметичной перемычки в стволе обеспечивает полное использование горизонтальных выработок (включая околоствольные выработки, а иногда и ствол) и работу перемычки без непосредственного подпора жидкой фазой хранимого продукта.
Тип эксплуатационного насосного оборудования (погружные или непогружные насосы) обусловлен сечением ствола, необходимостью создания подземных насосных камер для установки непогружных насосов или бурения специальных буровых скважин для насосов погружного типа.
Пример объемной планировки хранилища сжиженных газов с обособленными выработками-емкостями и размещением погружных насосов в эксплуатационных скважинах приведен на рис. 1.11.
Анализ планировочных схем хранилищ показывает, что среди них можно выделить два основных типа:
хранилища камерного типа с замкнутой системой вы работок-ем костей (рис. 1.12);
хранилища камерного типа с обособленными вы работкам и-ем костями (рис. 1.13).
Хранилище камерного типа с замкнутой системой выработок-емкостей представляет собой систему выработок-емкостей, сообщающихся между собой сбойками. Проведение сбоек осуществляется тем же сечением, что и выработок-емкостей. Сооружение сбоек приводит к существенному сокращению размеров хранилища в плане, что облегчает проветривание и транспорт отбитой породы при проведении выработок-емкостей. Кроме того, наличие сбоек позволяет эффективнее применять высокопроизводительное горно-проходческое оборудование. Самоходные буровые ус-
п-п
Рис. 1.11. Объемно-планировочная схема хранилища сжиженных газов с обособленными выработками-емкостями:
1 - ствол; 2 - коллекторная выработка; 3 - герметичная перемычка с гидрозатвором; 4 - подходная выработка; 5 - эксплуатационная скважина; 6 - выработка-емкость; 7 - насосный зумпф; 8 - скважина для гидрозатвора перемычки
Рис. 1.12. Схемы шахтных хранилищ камерного типа с замкнутой системой выработок-емкостей для одного (а), двух (б) и четырех (в) продуктов:
1 - выработка-емкость; 2 - сбойка между выработками-емкостями; 3 - обходная выработка; 4 - вскрывающая выработка
Рис. 1.13. Схемы шахтных хранилищ камерного типа с обособленными выработками-емкостями для одного (а), двух (б), трех (в) и четырех (г) продуктов:
1 - выработка-емкость; 2 - вскрывающая выработка
тановки и горные экскаваторы используются для одновременного проведения нескольких выработок при посменном переводе оборудования из одного забоя в другой. Для улучшения проветривания при проходке и сокращения транспортных плеч в схеме хранилища с замкнутой системой выработок-емкостей принимается центральное расположение вскрывающей выработки. Замкнутая система выработок-емкостей и проведение их при помощи высокопроизводительного проходческого оборудования сокращают сроки строительства хранилищ.
В хранилище с обособленными выработками-емкостями при сравнительно небольшой их протяженности строительство может осуществляться глухими забоями, а расположение вскрывающей выработки в схеме хранилища существенного влияния на процесс горно-проходческих работ не окажет.
Таблица 1.1
Ориентировочные размеры в плане объемно-планировочных схем хранилищ камерного типа разных объемов при поперечном сечении выработок-емкостей средних размеров (50 м2)
Хранилище
Объем хранилища, тыс. м3
15
25
40
50
100
200
Размеры хранилища в плане, м
С замкнутой системой выработок- емкостей
-
-
-
500x50
500x150
1000x200
С обособленными выработками- емкостями
150x50
250X50
400x50
-
-
Размеры хранилищ в плане обычно невелики. В табл. 1.1. приведены ориентировочные размеры хранилищ в зависимости от заданного объема хранимого продукта.
§ 2. Выработки и герметизирующие устройства хранилищ в породах с положительной температурой
Вскрывающие выработки
В качестве вскрывающих выработок (строительных подходов) при сооружении шахтных хранилищ используются вертикальные и наклонные стволы (рис. 1.14).
При проектировании вскрывающих выработок подземных газонефтех- ранилищ основными исходными данными являются: назначение хранилища (виды хранимых продуктов); объем хранилища; геологический разрез места расположения хранилища с подробной характеристикой пересекаемых вскрывающей выработкой пород и водоносных горизонтов и положением рабочей толщи; основное эксплуатационное оборудование (насосы); срок ввода хранилища в эксплуатацию.
Возможность разнообразного сочетания этих основных исходных данных приводит к различным конструктивным решениям вскрывающих выработок, которые могут встретиться в практике проектирования и строительства. Однако в зависимости от назначения, объемнопланировочных схем и горно-геологических условий строительства 32
aбв
Рис. 1.14. Схемы вскрывающих выработок хранилищ шахтного типа: а - наклонный спиральный ствол; б - вертикальный ствол; в - наклонный ствол
подземных хранилищ и требований, предъявляемых к конструкции вскрывающих выработок, их функции могут быть разделены на три общих случая, в каждом из которых вскрывающая выработка в период эксплуатации является:
выработкой-емкостью для размещения хранимого продукта по всей длине выработки;
выработкой-емкостью для размещения хранимого продукта в пределах непроницаемого пласта до герметичной перемычки;
выработкой для сообщения поверхности с подземными выработками- емкостями и размещения технологических, подъемно-транспортных и специальных коммуникаций.
В первом случае крепь вскрывающей выработки выполняется продукте- и водонепроницаемой, что достигается, например, использованием металлической обсадной трубы для крепления ствола на всю его глубину и тампонированием закрепного пространства непроницаемыми растворами. Герметичная перемычка, расположенная в верхней части ствола, дает возможность использовать почти весь его объем в качестве выработки-емкости для хранения продукта.
Во втором случае требования к непроницаемости крепи распространяются лишь на участок вскрывающей выработки, пройденной в пределах непроницаемой толщи пород, в границах которого осуществляется тампонирование закрепного пространства непроницаемыми растворами. Герметичная перемычка, составляющая единое целое с участком непроницаемой крепи, дает возможность использовать нижнюю часть выработки для размещения хранимого продукта.
В третьем случае вскрывающая выработка в период эксплуатации используется исключительно для размещения технологических, подъем-
но-транспортных и специальных коммуникаций. Герметичные перемычки, расположенные в подходных выработках, исключают использование вскрывающей выработки для хранения продукта.
Таким образом, если отнести вскрывающую выработку к одному из рассмотренных случаев, то можно установить обоснованные требования к конструкции и материалам крепи, определить нагрузки на крепь: наружное гидростатическое и внутреннее давления и области их действия, ожидаемое горное давление и давления, вызванные тампонированием закрепного пространства, т. е. в конечном счете запроектировать вскрывающую выработку.
Основные параметры вскрывающих выработок (сечение, тип крепи и т. д. ) подземных газонефтехранилищ определяют в зависимости от назначения хранилища, геолого-гидрогеологических условий, типа эксплуатационного оборудования и способа герметизации выработок-емкостей, и увязывают также со способами и технологическими схемами проходки выработок.
Рассмотрим более подробно особенности вскрывающих вертикальных выработок, наиболее часто используемых на практике.
Вертикальные вскрывающие выработки характеризуются относительно небольшой глубиной (200 м), малой площадью поперечного сечения, жесткими требованиями к газо-, нефте- и водонепроницаемости крепи, повышенными требованиями к качеству проходческих работ ввиду сложности, а в некоторых случаях полной невозможности ремонтных работ при эксплуатации хранилища и необходимостью размещения средств для перемещения людей при строительстве, а в комплексных хранилищах и при эксплуатации. С учетом этих особенностей проходка стволов, как правило, осуществляется обычным способом. В сложных горно-геологических условиях применяются специальные способы (замораживание, бурение).
В период проходки собственно ствола, выработок-емкостей, проведения монтажных работ и во время промышленной эксплуатации хранилища ствол, выполняя различные функции, оснащается тем или иным необходимым оборудованием, в связи с чем его сечение определяется: по горно-строительным требованиям; по размещению технологического оборудования в период эксплуатации. В период горно-строительных и монтажных работ чем больше сечение ствола, тем больше воз-
можностей организовать высокопроизводительный подъем и уменьшить сроки строительства. Однако при этом возрастает стоимость ствола. В период эксплуатации, независимо от типа и назначения хранилища, его объема, глубины заложения и размещения технологического оборудования, достаточно иметь стволы меньшего диаметра, который может несколько изменяться в зависимости от типа насосного оборудования (погружные или непогружные насосы). Поэтому размеры стволов газонефтехранилищ определяются в зависимости от горно-строительных требований, так как в таком случае практически всегда можно разместить эксплуатационное оборудование и коммуникации.
Согласно технологии строительства и правилам безопасности на подземные работы, вскрывающие выработки (стволы) оборудуются грузолюдским подъемом, лестничным отделением и обеспечивают:
размещение трубно-кабельного отделения, размеры которого зависят от числа, диаметра труб и кабелей, а также от способа их крепления;
пропуск исходящей воздушной струи при допустимой скорости движения воздуха по стволу с учетом коэффициента уменьшения полезной площади его сечения;
размещение отделения для спуска длинномерных материалов;
размещение ставов труб общей принудительной вентиляционной системы.
Если поперечные сечения отделений для лестницы, труб и кабелей, спуска длинномерных материалов и размещения ставов вентиляционных труб можно считать величинами относительно постоянными при любых типах и объемах хранилищ, то габариты грузолюдского подъема и площадь, необходимая для пропуска исходящей воздушной струи из горизонтальных выработок хранилища, являются величинами переменными, первая из которых зависит от типа оборудования подъема (бадье- вой, клетевой или скиповой), а вторая - от объема проветриваемых подземных выработок, параметров ведения взрывных работ, числа людей в выработках и пр. Поэтому размеры стволов определяются в зависимости от экономически эффективного типа материального подъема (с учетом пропуска исходящей воздушной струи) на период проходки горизонтальных выработок хранилища с проверкой сечения стволов по размещению эксплуатационного оборудования. Экономически эффективный тип материального подъема выявляется на стадии разработки техничес-
кого проекта строительства газонефтехранилищ методом вариантного проектирования в зависимости от глубины заложения выработок-емкостей и объема хранилищ. Основным показателем эффективности каждого варианта является стоимость 1 м3 полезной емкости хранилища.
Стволы подземных газонефтехранилищ, как правило, имеют круглую форму поперечного сечения, что в наибольшей степени соответствует материалам, используемым для постоянной крепи (сборная тюбинговая крепь, металлические обсадные трубы, монолитный бетон). Диаметры стволов изменяются от 4 до 6 м. На рис. 1.15 и 1.16 в качестве примера приведено оснащение ствола в периоды строительства и эксплуатации хранилища.
К постоянной крепи вскрывающих выработок предъявляются требования долговечности и огнестойкости. В некоторых случаях крепь (или участок крепи) должна дополнительно обладать продукте- и водонепроницаемостью и способностью выдерживать внутреннее давление. К материалам, полностью или частично отвечающим этим требованиям, относятся монолитный или сборный железобетон и металл. В некоторых случаях для постоянной крепи стволов используется комбинация этих материалов. Расчет постоянной крепи стволов подземных хранилищ
0 45000 450033Рис. 1.15. Схема оборудования ствола в период строительства подземного хранилища:1 - бетонная крепь ствола; 2 - противовес клетевого подъема; 3 - клеть грузопассажирского подъема; 4 - вентиляционный трубопровод; 5 - трубопровод проходческого водоотлива; 6-электрокабели; /-лестничное отделениеРис. 1.15. Схема оборудования ствола в период строительства подземного хранилища:1 - бетонная крепь ствола; 2 - противовес клетевого подъема; 3 - клеть грузопассажирского подъема; 4 - вентиляционный трубопровод; 5 - трубопровод проходческого водоотлива; 6-электрокабели; /-лестничное отделение
0 4500
0 4500
3
3
Рис. 1.15. Схема оборудования ствола в период строительства подземного хранилища:
1 - бетонная крепь ствола; 2 - противовес клетевого подъема; 3 - клеть грузопассажирского подъема; 4 - вентиляционный трубопровод; 5 - трубопровод проходческого водоотлива; 6-электрокабели; /-лестничное отделение
Рис. 1.15. Схема оборудования ствола в период строительства подземного хранилища:
1 - бетонная крепь ствола; 2 - противовес клетевого подъема; 3 - клеть грузопассажирского подъема; 4 - вентиляционный трубопровод; 5 - трубопровод проходческого водоотлива; 6-электрокабели; /-лестничное отделение
Рис. 1.16. Схема размещения эксплуатационных коммуникаций и оборудования в стволе подземного хранилища для продуктов трех видов:
1 - лестничное отделение; 2 - кабельный отсек; 3 - проем для спуска длинномерного оборудования; 4 - вентиляционный трубопровод для проветривания коллекторных выработок; 5 - грузопассажирский лифт; 6-8 - трубопроводы приточно-вытяжной вентиляции насосных камер; 9 - дыхательные трубопроводы подземных выработок-емкостей; 10- сливо-наливные трубопроводы подземных выработок-емкостей
имеет некоторые особенности, что видно при рассмотрении воздействий нагрузок на стволы хранилищ, функции которых в период эксплуатации уже были рассмотрены. В первом случае постоянная крепь стволов рассчитывается с учетом следующих воздействий: горного давления; внешнего гидростатического давления (в случае пересечения водоносных горизонтов); внешнего расчетного давления тампонажного раствора; переменного внутреннего избыточного давления хранимого продукта (минимально и максимально возможного в процессе эксплуатации). Во втором постоянная крепь стволов рассчитывается: в пределах непроницаемой рабочей толщи - с учетом горного давления, внешнего расчетного давления тампонажного раствора, переменного внутреннего из-
быточного давления хранимого продукта; в пределах верхних проницаемых пород - с учетом горного давления, внешнего гидростатического давления (в случае пересечения водоносных горизонтов), внешнего расчетного давления тампонажного раствора. В третьем случае постоянная крепь стволов рассчитывается с учетом горного давления, внешнего гидростатического давления (в случае пересечения водоносных горизонтов), внешнего расчетного давления тампонажного раствора.
Большая часть перечисленного относится и к наклонным стволам. Особо следует отметить применение наклонных спиральных стволов. Такой способ вскрытия рационально использовать при строительстве хранилищ большого объема в прочных горных породах, позволяющих создавать устойчивые выработки-емкости большого сечения. Этот способ вскрытия дает возможность использования существующего крупногабаритного высокопроизводительного проходческого оборудования, применяющегося в горнорудной промышленности, и обеспечивает высокую скорость строительства. Сечение и уклон спиральных стволов должны обеспечивать автомобильную откатку отбитой породы на поверхность земли непосредственно из горизонтальных выработок без перегрузки.
Выработки-емкости
Горизонтальные выработки-емкости имеют площадь поперечного сечения от 20-25 до 600 м2. Формы поперечных сечений выработок приведены на рис. 1.17.
К эксплуатационному оборудованию, размещенному в выработках- емкостях, относятся погружные насосы, трубопроводы для закачки продукта, а в хранилищах нефти и нефтепродуктов также дыхательные трубопроводы для выпуска паровой фазы при закачке продукта. Открытый конец дыхательной трубы расположен, как правило, в штробе, созданной в самой высокой точке кровли выработки.
Выработки-емкости проектируются с уклоном (не менее 0,002) для обеспечения свободного стока продуктов к месту установки насосов. В местах отбора продукта в почве выработок-емкостей предусматриваются насосные зумпфы. Глубина зумпфов определяется в зависимости от требуемого подпора на всасывающей линии насосов (обычно 6 м). Зумпфы имеют, как правило, круглое поперечное сечение. В связи с высоки-
Рис. 1.17. Формы поперечных сечений выработок-емкостей:
a - прямоугольно-сводчатая с полуциркульным сводом; б - прямоугольно-сводчатая с коробовым сводом; в - арочная (подковообразная); г - трапециевидно-сводчатая; д - прямоугольная; е - трапециевидная; ж - прямоугольно-трапециевидная; з - прямоугольно-трапециевидная с наклонной кровлей; и - круглая
ми скоростями движения продуктов в зумпфах при откачке для предотвращения возможного размыва поверхностного слоя породных стенок зумпфы облицовываются металлоизоляцией из легированных конструкционных сталей. Металлоизоляция выполняется из обечаек на сварке. Пространство между металлоизоляцией и породой цементируется.
В почве выработок-емкостей при хранении продуктов без водяной подушки предусмотрено устройство бетонных полов минимальной толщины для обеспечения лучшего стока продукта к местам его выдачи.
По экономическим соображениям выработки-емкости должны проходиться без возведения крепи и сохранять устойчивое состояние в течение всего периода эксплуатации хранилищ. Однако при необходимости создания хранилищ в неустойчивых породах прочность выработок-емкостей обеспечивается сплошной крепью. Целесообразность строительства таких хранилищ в каждом конкретном случае определяется технико-экономическими расчетами.
Экспериментальными исследованиями и анализом опыта эксплуатации хранилищ установлено, что хранимые продукты практически не оказывают агрессивного воздействия на вмещающие породы.
Основной задачей при проектировании незакрепленных выработок- емкостей является установление их устойчивых форм и размеров. Для этой цели применяются современные расчетные методы (например, методы конечных элементов и граничных интегральных уравнений). При расчетах к постоянно действующим нагрузкам отнесены горное давление и давление подземных вод, к длительным - давление продукта в выработке-емкости и температурные воздействия, к особым - сейсмические и взрывные воздействия. Расчетное значение нагрузки определяется как ее нормативное значение с учетом коэффициента надежности по нагрузке, равного 0,8. Коэффициент надежности по ответственности принимается равным единице. Горное давление и давление подземных вод определяют по результатам инженерно-геологических изысканий на площадке хранилища. При отсутствии тектонических напряжений в породном массиве допускается определять горное давление по весу вышележащих пород.
Напряженно-деформированное состояние породного массива следует определять с учетом деформационных свойств пород.
Для оценки распределения напряжений в окрестности незакрепленных выработок-емкостей наряду с расчетными применяются экспериментальные методы: эквивалентных материалов, фотоупругости, непосредственных определений напряжений и проницаемости в выработках. Исследованиями установлено, что вокруг незакрепленных выработок- емкостей образуется зона повышенной проницаемости, мощность которой для различных пород и размеров выработок колеблется от нескольких десятков сантиметров до первых метров. Значения проницаемости внутри зоны и вне ее связаны с напряжениями в породном массиве. На рис. 1.18 приведено распределение тангенциальных напряжений и проницаемости в одних и тех же точках вблизи контура выработки прямоугольного сечения.
Для подземных выработок-емкостей наибольшую опасность представляет возникновение растягивающих напряжений в окружающих породах, так как последние, хорошо работая на сжатие, обладают весьма низкими значениями пределов прочности при растяжении. Наиболее опасным местом в сечении выработок-емкостей является их кровля, где могут возникать максимальные растягивающие напряжения.
На рис. 1.19 приведено распределение нормальных напряжений для выработки пролетом 5-6 м в сульфатно-карбонатных породах на глуби-
Рис. 1.18. Распределение тангенциальных напряжений (/) и проницаемости (//) вокруг выработки-емкости:1-8 - точки измеренияРис. 1.18. Распределение тангенциальных напряжений (/) и проницаемости (//) вокруг выработки-емкости:1-8 - точки измеренияРис. 1.19. Распределение нормальных напряжений sy в вертикальном осевом сечении кровли выработки- емкости:
Рис. 1.18. Распределение тангенциальных напряжений (/) и проницаемости (//) вокруг выработки-емкости:
1-8 - точки измерения
Рис. 1.18. Распределение тангенциальных напряжений (/) и проницаемости (//) вокруг выработки-емкости:
1-8 - точки измерения
- контур кровли выработки-емкости; 2 - граница зоны повышенной проницаемости пород
Рис. 1.20. Распределение напряжений на контуре незакрепленных выработок-емкостей:а - с учетом нагрузки от давления горного массива в период строительства; б - с учетом нагрузки от давления сжиженных газов при эксплуатацииРис. 1.20. Распределение напряжений на контуре незакрепленных выработок-емкостей:а - с учетом нагрузки от давления горного массива в период строительства; б - с учетом нагрузки от давления сжиженных газов при эксплуатации
Рис. 1.20. Распределение напряжений на контуре незакрепленных выработок-емкостей:
а - с учетом нагрузки от давления горного массива в период строительства; б - с учетом нагрузки от давления сжиженных газов при эксплуатации
Рис. 1.20. Распределение напряжений на контуре незакрепленных выработок-емкостей:
а - с учетом нагрузки от давления горного массива в период строительства; б - с учетом нагрузки от давления сжиженных газов при эксплуатации
не около 100 м, которое показывает, что при отсутствии напряжений на контуре выработки в массиве могут возникнуть напряжения растяжения и сжатия.
Давление продукта в выработках-емкостях приводит к существенным изменениям в распределении образовавшихся при строительстве напряжений в окрестности выработок. При правильно выбранном сочетании нагрузок внутреннее давление в целом благоприятно воздействует на напряженное состояние, вызывая разгрузку сжимающих напряжений (рис. 1.20, коэффициенты концентрации напряжений К и Кэ являются отношением напряжения при данной нагрузке к этой нагрузке соответственно в период строительства и эксплуатации).
Поверхность выработок-емкостей с криволинейными сводами снижает возможность появления растягивающих напряжений на контуре, что чрезвычайно важно, поскольку основной задачей проектирования выработок устойчивой формы и размеров является недопущение появления растягивающих напряжений в породном массиве, превышающих предел прочности пород при растяжении. Для обеспечения проектного контура выработки целесообразно применять метод так называемого «гладкого» (профилированного) взрывания.
Выработки-емкости в неустойчивых породах имеют, как правило, круглую форму поперечного сечения. Это связано с тем, что для их проведения применяется щитовой или горный (эректорный) способ проходки. Способ проходки определяет также размеры сечения выработок-емкостей и конструкцию сплошной крепи. По своим конструктивным особенностям выработкам-емкостям подземных хранилищ наиболее близки перегонные и станционные тоннели метрополитенов. Соответственно при создании хранилищ применяются комплексы проходческого оборудования и крепей, используемые в практике метростроения. При этом сечения выработок-емкостей изменяются от 20 до 70 м2, а для их крепления используются унифицированные сборные железобетонные обделки. Расчет такой крепи применительно к выработкам-емкостям не имеет особенностей и осуществляется методами, принятыми в практике тоннелестроения.
Выработки вспомогательного назначения
К выработкам вспомогательного назначения относятся околостволь- ные (коллекторные) и подходные выработки, камеры подземных насосных станций и эксплуатационные скважины.
Околоствольные (коллекторные) выработки предусматриваются в комплексных хранилищах, предназначенных для размещения двух или более видов продуктов, для соединения выработок-емкостей с вскрывающими выработками. Коллекторные выработки в период строительства служат для обеспечения работ по проходке выработок-емкостей и маневровых работ у вскрывающей выработки. Протяженность коллекторных выработок при электровозной откатке в приствольной части принимается исходя из горностроительных требований, в зависимости от минимальной длины составов груженых и порожних вагонеток, схемы расположения стрелочных переводов и съездов, обеспечивающих маневровые операции электровоза в период ведения горно-проходческих работ. Протяженность коллекторных выработок в пределах их примыкания к выработкам- емкостям определяется шириной выработок-емкостей и целиков между ними. Коллекторные выработки в приствольной части имеют сечения, обеспечивающие пропуск подвижного состава при двухпутевой откатке породы и два прохода для людей в соответствии с правилами безопасности.
Форма поперечного сечения коллекторных выработок принимается в зависимости от горно-геологических условий по аналогии с типовыми сечениями откаточных горных выработок.
Коллекторные выработки в каждую сторону от оси вскрывающей выработки на протяжении не менее 15 м крепятся постоянной крепью из несгораемых материалов. По всей длине выработки имеют уклон в сторону вскрывающей выработки для свободного стока воды в зумпф. В период эксплуатации в коллекторных выработках размещаются технологические, вентиляционные, кабельные и другие трубопроводы, а также проходы для людей и транспорта эксплуатационного оборудования при его ремонте или замене.
Подходные выработки служат для сообщения коллекторных выработок с выработками-емкостями и размещения герметичных перемычек. Протяженность подходных выработок принимается минимально возможной ( но не менее 15 м) по условиям размещения герметичных перемычек. Размеры поперечного сечения подходных выработок также принимаются минимальными по условиям проведения горно-проходческих работ, исходя из наибольших габаритов применяемого горно-проходческого оборудования для сооружения выработок-емкостей. Сооружение подходных выработок малого сечения осуществляется также исходя из соображений уменьшения размеров герметичных перемычек и упрощения работ при их возведении. Для максимально возможного сохранения герметичности пород на участках сооружения перемычек подходные выработки в слабых породах проходятся без применения взрывных работ, в крепких породах - с использованием ослабленных зарядов ВВ. Протяженность таких участков подходных выработок составляет не менее 10 м.
Камеры подземных насосных станций предусматриваются в хранилищах, откачка хранимых продуктов из которых осуществляется непогружными насосами. В комплексных хранилищах в зависимости от числа видов хранимых продуктов, их объемов, требуемой производительности выдачи и типа насосного оборудования сооружается одна или несколько камер для размещения подземных насосных станций. Камеры насосных станций проходятся либо на отметке коллекторной выработки, либо выше нее, но с учетом всасывающей способности устанавливаемых насосов. В хранилищах, предназначенных для хранения одного вида
продукта, насосная станция размещается во вскрывающей выработке или в камере, примыкающей к ней. Размеры камер насосных станций в плане определяются числом установленных насосных агрегатов с учетом проходов вокруг них в соответствии с правилами безопасности. Высота камер определяется вертикальными габаритами насосного оборудования и подъемно-транспортных устройств, но принимается не менее 3 м. Вскрывающие, коллекторные и подходные выработки и камеры подземных насосных станций оборудуются системами приточной и вытяжной вентиляции с искусственным побуждением. При этом предусматривается резервирование всех приточных и вытяжных вентиляторов.
Часовая кратность воздухообмена во вскрывающих, коллекторных и подходных выработках составляет шесть оборотов, в камерах подземных насосных станций - 20 оборотов. Приточная вентиляция вскрывающих, коллекторных и подходных выработок осуществляется путем сосредоточенной подачи воздуха непосредственно во вскрывающую выработку. Скорость воздуха в живом сечении выработок не должна превышать 8 м/с. Под живым сечением понимается сечение выработок за вычетом площади, занятой подъемно-транспортным оборудованием, лестничным отделением, технологическими и вентиляционными трубопроводами и т. д. Приточный воздух подается в рабочую зону камер насосных станций. Вытяжка воздуха осуществляется из нижней (2/3 объема воздуха) и верхней (1/3 объема воздуха) зон камер. В камерах насосных станций в дополнение к общеобменной вентиляции предусматриваются устройства местных отсосов в местах возможных утечек хранимых продуктов (сальники насосов, задвижки и т. п.).
Эксплуатационные скважины сооружаются в подземных газонеф- техранилищах, откачка хранимых продуктов из которых осуществляется погружными насосами. Эксплуатационные скважины обеспечивают осуществление сливо-наливных операций и замеры уровня хранимых продуктов. Скважины обсаживаются металлическими трубами с цементацией затрубного пространства. Диаметр эксплуатационных скважин определяется в зависимости от поперечных размеров погружных насосов и средств измерения уровня продуктов. Глубина скважин определяется глубиной заложения выработок-емкостей. К эксплуатационным скважинам предъявляются требования полной герметичности. С этой целью при обсадке и цементации скважин выполняются следующие мероприятия.
Перед спуском в скважину каждая секция обсадной трубы подвергается шаблонированию и осмотру с целью обнаружения внешних дефектов. Трубы, используемые для обсадки скважин, должны иметь паспорта с указанием допустимого давления, на которое они рассчитаны. При отсутствии паспортов каждая секция обсадной трубы подвергается гидравлическим испытаниям в соответствии с действующими стандартами. Места соединений секций обсадных колонн обязательно провариваются с последующим испытанием сварных швов магнитографическим способом, у-лучами или другими методами. Затрубное пространство обсадных колонн цементируется на всю глубину скважин с изливом цементного раствора на поверхность. По окончании цементации проверяют качество цементного кольца геофизическими методами.
Каждая скважина подвергается обязательному испытанию на герметичность. Испытание герметичности скважин включает в себя отдельно испытание обсадных колонн и отдельно затрубного пространства под избыточным давлением не менее 1,25 рабочего на забое скважины, но не более давления гидравлического разрыва пород на данной глубине. Испытание герметичности обсадной колонны осуществляется при наличии цементного стакана в нижней части скважины. После испытания колонны цементный стакан разбуривается с выходом из-под башмака обсадной колонны на 0,3-0,4 м и проводятся испытания герметичности затрубного пространства. Испытание скважин и оценка их герметичности осуществляются по аналогии со скважинами подземных хранилищ, сооружаемых растворением каменной соли, согласно СП 34-106-98.
Скважина считается выдержавшей испытание, если в течение 30 мин падение давления не превышает 2 % испытательного. Падение давления считают после трехкратного его повышения до испытательного без промежуточного сбрасывания давления.
Бурение скважин осуществляется непосредственно в соответствующие выработки хранилища до их проходки. Это позволяет наиболее качественно провести все работы на скважинах при их сооружении.
Герметизирующие устройства или герметичные перемычки
Предназначены для изоляции выработок, заполненных продуктом, от остальных выработок хранилища или от внешней среды. Назначение
герметизирующих устройств определяет ряд требований, предъявляемых к ним. Герметизирующие устройства должны выдерживать расчетную нагрузку (давление, создаваемое хранимым продуктом), обеспечивать достаточную герметичность как самого тела перемычки, так и его контакта с вмещающими породами и закладными деталями технологических коммуникаций, а также выполняться из материалов, не подверженных агрессивному воздействию хранимых продуктов.
По назначению подземных хранилищ герметизирующие устройства подразделяются на перемычки для нефтепродуктов и для сжиженных газов, а по воспринимаемому давлению - на перемычки низкого и высокого давлений. По расположению в подземных хранилищах проектируются перемычки двух типов: горизонтальные в вертикальных стволах хранилищ и вертикальные в наклонных стволах и подходных выработках.
На рис. 1.21 приведены конструкции герметизирующих устройств. На практике наиболее часто применяют устройства, основанные на принципе гидрозатвора (см. рис. 1.21, a-в), когда давление жидкости в полости перемычки превышает давление хранимого продукта в выработке-емкости.
В хранилищах, эксплуатируемых с подпором подземными водами, в качестве изолирующей жидкости используется вода (см. рис. 1.21, в). Давление в полости гидрозатвора поддерживается за счет естественной гидростатики. В хранилищах, сооружаемых в практически непроницаемых породах, полость перемычки заполняется изолирующей жидкостью, к которой предъявляются требования длительной стабильности и образования гидравлической завесы в окружающем массиве пород, а также на контакте стенок с металлическими закладными деталями и породой (см. рис. 1.21, а, б). Оптимальный состав такой жидкости включает 1%-й водный раствор бентонитового порошка первого класса и химические реагенты-стабилизаторы (5%-й раствор карбоксиметил целлюлозы, 10%-й раствор гексаметафосфата, 3%-й раствор NaOH, жидкое стекло с плотностью 1,02 г/см3). Плотность получаемой жидкости 1,3-1,4 г/см3. Изолирующая жидкость такого состава характеризуется длительной стабильностью (не расслаивается и не коагулирует).
Непроницаемые бетонные стенки препятствуют фильтрации изолирующей жидкости, а тонкодисперсные глинистые частицы кольматиру- ют поры в зонах контакта бетона с породой и закладными деталями, что
дд
д
д
Рис. 1.21. Конструкции герметизирующих устройств:
a - бетонная перемычка с контурным гидрозатвором: / - выработка-емкость; 2 - напорная стенка; 3 - полость контурного гидрозатвора; 4, 5 - система трубопроводов для залива и перемешивания изолирующей жидкости; 6 - металлический лист; б - двойная бетонная перемычка: 1 - выработка-емкость; 2 - напорные стенки герметичной перемычки; 3 - полость гидрозатвора с изолирующей жидкостью; 4 - штроба; 5 - трубопровод для выпуска воздуха из гидрозатвора; 6 - трубопровод для заполнения гидрозатвора; в - двойная бетонная перемычка с гидрозатвором, расположенная во вскрывающей выработке: 1 - выработка-емкость; 2 - бетонные стенки герметичной перемычки; 3 - трубопровод для заполнения гидрозатвора: 4 - полость гидрозатвора с изолирующей жидкостью; 5 - зумпф; г - двойная металлическая перемычка, расположенная в верхней части ствола: 1,2- металлические перемычки в обсадной трубе; 3 - устье ствола; 4 - продуктонепроницаемый раствор; 5 - обсадная труба; 6 - выработка-емкость; 7 - зумпф; д - двойная металлическая перемычка, расположенная во вскрывающей выработке: 1 - опорный венец крепи ствола; 2 - кольцевые металлические воротники; 3 - металлические перемычки; 4 - продуктонепроницаемый раствор; 5 - металлическая сварная обечайка; 6 - железобетонная рубашка; 7 - выработка-емкость; 8 - зумпф
обеспечивает достаточную герметичность полости гидрозатвора. В то же время, определенная водоотдача изолирующей жидкости под давлением приводит к образованию в окружающих породах водяной завесы.
Для выработок-емкостей, сооружаемых в каменной соли, изолирующая жидкость в полости гидрозатвора приготовляется на основе насыщенного хлорнатриевого рассола.
Технологическое оборудование герметизирующего устройства обеспечивает: закачку и периодическое перемешивание изолирующей жидкости в полости гидрозатвора; создание в гидрозатворе давления, постоянно превышающего давление в выработке-емкости; залив и ее опорожнение. В качестве примера на рис. 1.22 приведена оснастка перемычки в практически непроницаемых породах.
На принципе гидрозатвора основано также одинарное герметизирующее устройство с контурным гидрозатвором (см. рис. 1.21, а). Работа одинарного устройства осуществляется так же, как и двойного, но гидрозатвор выполнен в виде кольцевого вруба, расположенного по периметру одинарной напорной стенки. Одинарные герметизирующие устройства с гидрозатвором применяются при герметизации выработок- емкостей для нефтепродуктов, хранящихся практически при атмосферном давлении.
К бетонам, из которых сооружаются стенки перемычек, и тампонажным растворам, нагнетаемым по контуру стенок, предъявляются специальные требования. Бетоны должны быть высокопрочными (класс прочности на сжатие В 35, на осевое растяжение В 2, В 4), морозо- стойкими (марки F 100), водонепроницаемыми (марки не ниже W 12),
Рис. 1.22. Конструктивная схема двойного герметизирующего устройства, основанного на принципе гидрозатвора:
1 - выработка-емкость; 2 - напорные стенки герметичной перемычки; 3 - полость гидрозатвора с изолирующей жидкостью; 4 - трубопровод для выпуска воздуха из гидрозатвора; 5 - система поддержания избыточного давления в гидрозатворе; 6 - грязевой насос с системой перемешивания жидкости; 7 - дыхательный трубопровод; 8 - сливо-наливной трубопровод; 9 - трубопровод для залива изолирующей жидкости; 70 - насос для залива изолирующей жидкости
практически непроницаемыми по газу (коэффициент проницаемости не более 108 мкм2) и иметь коэффициент агрессивной стойкости не ниже 0,8. Тампонажные растворы должны иметь такие же показатели проницаемости, как и бетон, коэффициент агрессивной стойкости - не менее 0,85, прочность при изгибе - не менее 2,7 МПа и деформации расширения - в пределах от 4 до 14 мм/м. Вяжущими материалами, которые в наибольшей степени удовлетворяют специфике сооружения перемычек, являются расширяющиеся цементы, в частности, напрягающийся цемент. Материалы для возведения перемычек в каменной соли затворяются на насыщенном растворе хлористого натрия плотностью 1190 кг/м3. Для повышения плотности и прочности материалов применяются различные добавки, которые, как правило, в виде эмульсий вводятся в бетонную смесь и затвердевают в цементном камне, кольматируя его поры. В качестве добавок применяют дивинил, винилденхлорид, фуриловый спирт с с солянокислым анилином, эпоксидные смолы и т. п.
Бетонные стенки перемычек устанавливаются во врубах, разрабатываемых при помощи отбойных молотков, а в породах высокой категории крепости - с применением ослабленных зарядов ВВ.
Глубина врубов определяется с таким расчетом, чтобы перекрыть зону повышенной проницаемости вокруг выработки. Такая зона в сульфатно- карбонатных породах обычно не превышает 0,5 м, в скальных - 0,6-0,7 м. Глубина врубов перемычки определяется также при расчете ее на прочность. Окончательно принимается наибольшая из найденных глубин.
Расчет прочности напорных бетонных стенок герметизирующих устройств, расположенных во врубах, осуществляется с учетом сжатия и скалывания пород во врубах, возможности среза тела перемычек по периметру изолируемых выработок и недопущения образования трещин в бетоне под действием возникающего в теле перемычки напряженного состояния. Под действием нагрузки р порода может срезаться во врубах под углом к горизонтальной оси вдоль линии е^рис. 1.23). Учитывая высокую ответственность герметизирующих устройств, для увеличения запаса прочности при расчетах этот угол следует принимать равным 45°, а нагрузку р - полностью, без разложения на силы, действующие вдоль срезаемого сечения. Тогда необходимую глубину врубов т можно найти из условия среза породы по известной формуле:
np(a+2m)(ti+2m)
T = ’U ■'J/
^cp^y
где т - допускаемое напряжение на срез окружающих пород, МПа; п - коэффициент перегрузки (1,2-1,3);р-давление на перемычку, МПа; F - общая площадь срезаемого сечения с учетом размера врубов, м2; ту - коэффициент условий работы (для ответственных сооружений, работающих под давлением, ту = 0,5); а, Ь, т - размеры (см. рис. 1.23), м.
Здесь в качестве допущения принимается равномерный характер распределения напряжений вдоль линии среза. Допускаемое напряжение на срез пород определяется либо при испытаниях образцов этих пород, либо принимается т = 0,15/?сж.
Поскольку отношение толщины стенки к ее другим размерам при наиболее часто встречающихся параметрах подходных выработок поземных хранилищ всегда больше 1 /4, то применять к их расчету теорию тонких плит представляется неправомерным, т. е. такие стенки следует относить к толстым плитам. Поэтому правильнее рассматривать напорные стенки герметизирующих устройств как трехмерные тела. В этом случае для определения толщины напорных стенок можно принять следующий
р, МПар, МПа
р, МПа
р, МПа
Рис. 1.24. Расчетные зависимости толщины напорной стенки герметизирующего устройства от давления в выработках-емкостях при использовании бетона В 35 (Яр = 1,25 МПа).
I - защемление по контуру; II - свободное опирание; сечение подходной выработки, м: 1 - 1,8x1,8; 2 - 3,8x3,8; 3 - 5x5
порядок расчета. Задаваясь определенной толщиной стенок, для нахождения напряжений и деформаций от воздействия нагрузок решают пространственную краевую задачу теории упругости. При этом, исходя из конструкций герметизирующих устройств, стенки могут либо свободно опираться на породу, либо жестко защемляться по контуру (см. рис. 1.23).
В расчетах применяются методы конечных элементов, граничных интегральных уравнений и др., реализованные в компьютерных программах.
Как показывают расчеты, наибольшие растягивающие напряжения в случае свободного опирания возникают в центральной части грани, свободной от действия нагрузки. В случае жесткого защемления по контуру определяющими оказываются главные растягивающие напряжения у грани со стороны нагрузки в зоне примыкания напорной стенки к породе, а в центральной части перемычки возникают небольшие напряжения растяжения.
На рис. 1.24 приведены расчетные зависимости толщины монолитной бетонной напорной стенки от рабочего давления в выработках-емкостях при квадратных сечениях подходных выработок и классе бетона В 35.
Под действием давления хранимых продуктов при соответствующей прочности окружающих пород напорные стенки герметизирующих уст-
ройств могут срезаться по периметру изолируемой выработки (см. рис. 1.23). В этом случае толщина стенок (м) проверяется из условия работы их на срез по формуле Е.П. Калмыкова и К.Х. Фриче:
nPab
- 2(a+b)Rcpmy ’(L4)
где R - расчетное сопротивление бетона перемычки на срез, МПа.
Для бетона расчетное сопротивление на срез при расчетах рекомендуется принимать по формуле
ficp^OJS^A^,(1.5)
где Rnp, Rp - предел прочности бетона при сжатии и растяжении, МПа.
Как и в случае расчета необходимой глубины врубов, данный метод допускает равномерный характер распределения напряжений вдоль линии среза. Толщина напорных стенок герметизирующих устройств должна проверяться также исходя из условия выдерживания окружающими породами сжимающих напряжений.
Возведение перемычек осуществляется на конечной стадии строительства после проведения всех выработок. Мощность зоны повышенной проницаемости в месте возведения перемычки определяется по фактическим значениям газопроницаемости в массиве. Для этого по контуру выработок бурятся парные параллельные шпуры (нагнетательный и наблюдательный) с расстоянием между ними 5 см. Устья шпуров герметизируются при помощи специального устройства. Нагнетательный шпур соединяется с источником сжатого воздуха, наблюдательный - с U-образным водяным манометром. Затем в нагнетательный шпур подается воздух под необходимым давлением, одновременно в наблюдательном шпуре регистрируется интенсивность изменения перепада давления в трубках дифференциального манометра с точностью до 0,00001 МПа (1 мм вод. ст). Образование перепада давления в коленах манометра свидетельствует о наличии проницаемости пород в массиве между шпурами. Аналогичным путем при перемещении прибора вдоль наблюдательного шпура, с последующей герметизацией его на определенных расстояниях от обнажения, осуществляется снятие характеристик проницаемости пород в глубине массива. Исследования проницаемости осуществляются в направлении
от обнажения в глубь массива, при этом измерения проводятся через каждые 5 см по глубине шпура. При проведении измерений между шпурами происходит фильтрация, которая по мере углубления в массив пород затухает и на некотором расстоянии от обнажения перестает проявляться совсем, при этом мениски в коленах дифференциального манометра остаются неподвижными в течение времени проведения измерений. Сравнение интенсивностей роста перепадов давления в дифференциальном манометре при различных заглублениях питателя в нагнетательном шпуре позволяет получить картину изменения проницаемости пород в массиве и определить границы зоны повышенной проницаемости.
При приготовлении бетонов и растворов не допускается отступление от рекомендованных составов. Приготовление бетонной и растворной смесей осуществляется на строительной площадке в специально оборудованном бетоносмесительном узле. Бетонная смесь подвергается тщательной обработке глубинными вибраторами до появления цементного молока и прекращения выделения пузырьков воздуха из смеси. При разделке врубов в крепких породах для уменьшения деформации вмещающих пород первоначально по контуру врубов проводится сплошное обуривание до проектной глубины, что создает своеобразную обнаженную поверхность пород. Затем бурятся шпуры, при взрывании которых осуществляется отбойка породы внутри зоны вруба, оконтуренной первоначальным бурением; контурные шпуры не заряжаются и не взрываются. Поверхность врубов тщательно обрабатывается и перед бетонированием очищается от грязи и промывается водой. Разделка врубов осуществляется после окончания всех горно-проходческих работ непосредственно перед возведением перемычек. Опалубка бетонных стенок и поддерживающие конструкции выполняются жесткими, прочными, способными выдерживать давление свежеуложенной смеси с тем, чтобы не допустить ее осадки, что, в свою очередь, может привести к образованию в замке конструкции пустот на контакте бетона с породой. Заблаговременно перед бетонированием опалубка полностью собирается, тщательно подгоняется, а отдельные ее элементы маркируются. Затем опалубка разбирается. В дальнейшем установка опалубки осуществляется отдельными эементами, по мере бетонирования, согласно сделанной ранее маркировке. Под расчетным давлением раствор нагнетается через трубки, герметично приваренные к металлической обечайке. По пе-
риметру обечайки привариваются металлические воротники, к которым на сварке крепятся металлические сферические перемычки.
Металлические двойные перемычки (см. рис. 1.21, г, д) в хранилищах сжиженных газов рассчитывают на прочность в зависимости от упругости их паров. При этом используются методики, применяемые для расчета металлических резервуаров. Пространство между полусферами служит для контроля за герметичностью перемычки. В хранилищах нефтепродуктов достаточно иметь одну полусферу, толщина которой определяется конструктивно.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Перечислите основные типы объемно-планировочных схем хранилищ.
Назовите факторы, влияющие на выбор объемно-планировочных решений подземных хранилищ.
Рассчитайте минимально допустимую глубину заложения кровли выработки-емкости для сжиженных углеводородных газов (ртах = 1,6 МПа):
в практически непроницаемых породах;
в трещиноватых водоносных породах.
Для каких условий выбор объемно-планировочных решений определяется, главным образом, технологией строительства?
Для каких хранилищ и почему необходимым условием является наличие коллекторной выработки?
Опишите, чем отличается обустройство вскрывающих выработок хранилищ на период строительства и эксплуатации.
Назовите функции вскрывающих выработок в период эксплуатации хранилища.
Перечислите нагрузки, учитывающиеся в расчете устойчивости выработок-емкостей.
Изобразите распределение напряжений на контуре незакрепленной выработки-емкости в период строительства и при эксплуатации с внутренним давлением продукта.
Укажите какие специальные выработки предусматриваются в хранилище для выдачи продукта на поверхность.
Нарисуйте принципиальные схемы герметичных перемычек и места их установки в хранилищах.
Перечислите и опишите последовательность расчета напорных бетонных стенок герметичных перемычек.
Глава 3
Подземвые хранилища с искусственной изоляцией
Г заработаны два вида подземных хранилищ с искусственной изоляцией:
« напорные резервуары для хранения сжиженных углеводородных газов при естественной температуре вмещающего массива пород;
» безнапорные низкотемпературные резервуары для сжиженных углеводородных газов, этилена и сжиженного природного газа.
Напорные резервуары сооружаются в вертикальных и горизонтальных одиночных выработках, пройденных в верхних частях геологического разреза в толще проницаемых пород. Для герметизации выработок используется бетон в комбинации с металлом или пластмассой. Расчетное давление в резервуаре определяется упругостью паров хранимого продукта; для пропана, например, оно составляет 1,6 МПа. Резервуары имеют относительно небольшой объем - около 1000 м3.
На рис. 1.25 приведена схема вертикальной выработки-емкости, конструкция крепи которой проектируется с учетом упругого отпора горных пород. Такая конструкция наиболее экономична в связи со снижением затрат на оболочку выработок-емкостей и использованием для их строительства бескопрового способа проходки вертикальных выработок. Этот способ проходки значительно снижает затраты и обеспечивает создание выработок-емкостей глубиной до 45 м.
Давление сжиженного газа, находящегося в выработках-емкостях, воспринимается железобетонной крепью с кольцевой рабочей арматурой, работающей совместно с массивом окружающих пород. Крепь является наиболее ответственным элементом конструкции выработок- емкостей, в связи с чем к ней предъявляется ряд требований. Так, крепь должна воспринимать горное давление, внутреннее давление сжиженного газа и не допускать его утечек в окружающие породы. Герметичность выработок-емкостей достигается за счет внутренней металлоизо- ляции из тонкой листовой стали (4-5 мм). Затраты металла при сооружении вертикальных выработок-емкостей с железобетонной крепью складываются из расхода арматурной и листовой стали. При этом расход металла во многом зависит от того, насколько полно метод расчета
Рис. 1.25. Схема вертикальной выработки-емкости с железобетонной крепью и металлоизоляцией:
1 - дыхательный клапан; 2 - сигнализатор предельных уровней газа; 3, 4 - трубопроводная арматура; 5 - барботажная трубка для измерения уровня газа; 6 - шпунт; 7 - грунтовая засыпка; 8 - перекрытие; 9 - устье; 10 - крепь; 11 - металло- изоляция; 12- днище; 13 -погружной насос
прочности выработок-емкостей учитывает механические свойства материалов крепи и упругий отпор пород.
Условиям работы вертикальных выработок-емкостей с точки зрения расчета на прочность в наибольшей степени соответствуют напорные гидротехнические тоннели (круглое сечение, гидростатическая по сечению нагрузка, условия герметичности).
Современные теории расчета крепи гидротехнических тоннелей учитывают совместную работу обделки с массивом горных пород.
Предусматривается расчет по несущей способности арматуры и допустимому раскрытию трещин в бетоне. В расчетах принимается максимальное раскрытие трещин, равное 0,045 см (по условию сохранности арматуры). Упругий отпор пород учитывается при модуле упругости Еп > 102 МПа.
При расчете прочности подземных вертикальных выработок-емкостей сжиженных газов по предельным состояниям количество арматуры при-
нимается по тому расчету, где оно окажется наибольшим. Последовательность расчета следующая: сначала рассчитывается количество арматуры по ее несущей способности, затем задаются минимальной толщиной крепи, при которой процент армирования не превышает допустимого по условиям проведения работ, проверяют при рассчитанном количестве арматуры и выбранной толщине крепи раскрытие трещин и сравнивают его с допустимым. Если полученные результаты превышают допустимые значения, то проводится перерасчет крепи по раскрытию трещин. Для расчета определяющее значение имеют температура (для определения рабочего давления сжиженных газов в подземной выработке-емкости) и показатели упругих свойств массива (чтобы установить, обеспечивается ли упругий отпор пород при данном давлении в выработке-емкости).
Технико-экономические исследования показали, что экономичность подземных вертикальных резервуаров по сравнению с наземными металлическими сохраняется при следующих значениях основных конструктивных параметров подземных выработок-емкостей: диаметр в свету dc = 6 м, процент армирования бетонной крепи m = 4 %, толщина бетонной крепи h = 0,8 м, площадь арматуры без учета толщины металлической облицовки Fa = 316 см2.
При создании резервуаров, рассчитанных на меньшее давление, в горизонтальных выработках, для герметизации стенок может применяться пластмасса. Стенки выработок выравниваются для того, чтобы придать им наиболее правильную форму. Толщина выравнивающего слоя бетона зависит от состояния первоначальной необработанной поверхности, чаще всего средняя толщина бетонного покрытия составляет 15- 30 см. Затем на стенку наклеиваются, как обои, листы пластмассы, которые соединяются между собой сваркой либо специальным клеем. Герметичность пластмассового материала проверяется при его изготовлении, а также в процессе испытания и эксплуатации выработок-емкостей. Для контроля герметичности пластмассовой облицовки под ней в бетонной стенке оставляются канавки, по которым может мигрировать продукт, просочившийся через покрытие, и подземные воды из окружающего массива. По канавкам продукт и вода попадают в нижнюю часть выработки-емкости, где имеется контрольный сборник, сообщающийся с поверхностью. В конце его помещаются приборы для обнаружения следов хранимого продукта. На рис. 1.26 приведен схематичный поперечный
Рис. 1.26. Схематический поперечный разрез выработки-емкости круглого сечения с искусственной изоляцией:- вмещающие проницаемые породы;- бетонное покрытие; 3 - пластмас- 5 совая герметичная изоляция; 4 - выработка-емкость; 5 - контрольный сборник; 6 - канавка в бетонеРис. 1.26. Схематический поперечный разрез выработки-емкости круглого сечения с искусственной изоляцией:- вмещающие проницаемые породы;- бетонное покрытие; 3 - пластмас- 5 совая герметичная изоляция; 4 - выработка-емкость; 5 - контрольный сборник; 6 - канавка в бетоне1123423466
Рис. 1.26. Схематический поперечный разрез выработки-емкости круглого сечения с искусственной изоляцией:
- вмещающие проницаемые породы;
- бетонное покрытие; 3 - пластмас- 5 совая герметичная изоляция; 4 - выработка-емкость; 5 - контрольный сборник; 6 - канавка в бетоне
Рис. 1.26. Схематический поперечный разрез выработки-емкости круглого сечения с искусственной изоляцией:
- вмещающие проницаемые породы;
- бетонное покрытие; 3 - пластмас- 5 совая герметичная изоляция; 4 - выработка-емкость; 5 - контрольный сборник; 6 - канавка в бетоне
1
1
2
3
4
2
3
4
6
6
разрез такой выработки-емкости. Что касается сохранности пластмассовой облицовки, то в выработке-емкости она находится в сравнительно благоприятных условиях, поскольку обычные агенты, вызывающие разрушения, такие, как ультрафиолетовые лучи и кислород воздуха, здесь отсутствуют. Проведенные исследования показали, что пластмассовая изоляция не имеет признаков разрушения после семи лет лабораторных испытаний и пяти лет промышленного использования.
Низкотемпературные ледопородные резервуары для хранения сжиженных углеводородных газов (пропана и бутана) представляют собой вертикально-цилиндрические выработки (котлованы), оборудованные перекрытием из искусственных материалов (сталь, бетон, железобетон). В основе этого способа лежит снижение упругости паров сжиженных газов до атмосферного давления при охлаждении до определенной температуры, что позволяет в 10-18 раз сократить удельный расход стали по сравнению с наземными высоконапорными резервуарами, так как стенками резервуара являются искусственно замороженные грунты. Такие резервуары строят на площадках, гидрогеологические условия которых обеспечивают создание сплошной ледопородной оболочки при их замораживании и устойчивость при эксплуатации резервуара.
Наибольшее распространение получили низкотемпературные подземные резервуары цилиндрической формы с различным соотношением глубины и диаметра. Конструктивно такое хранилище представляет
собой котлован с искусственно замороженными стенками (рис. 1.27, а), который сооружают в определенной последовательности. В водонасыщенных дисперсных грунтах по периметру проектируемого резервуара бурят скважины на 3-5 м ниже глубины залегания водоупора. Скважины обустраивают замораживающими колонками, по которым пропускают хладоноситель, что приводит к замораживанию грунта вокруг колонок и созданию ледопородной оболочки, сопряженной с водоупором.
При отсутствии водоупора замораживается также и дно резервуара. Ледопородная оболочка препятствует поступлению грунтовых вод в забой разрабатываемого котлована и является ограждением, под защитой которого выполняется выемка грунта. По окончании выемки грунта монтируется герметичное теплоизолированное перекрытие котлована. В случае, когда резервуары предназначены для хранения сжиженных природных газов, стенки котлована также покрывают слоем теплоизоляции, толщина которой определяется в каждом конкретном случае расчетами. Низкотемпературный режим хранения поддерживается холодильной установкой, которая является неотъемлемой частью наземного комплекса низкотемпературного подземного резервуара (рис. 1.27, б).
Заполнение продуктом низкотемпературного подземного резервуара и отбор из него осуществляют следующим образом. Сжиженный газ поступает из железнодорожных цистерн или напорных резервуаров через осушитель, где продукт отделяется от воды. Далее происходит его дросселирование первой ступени в промежуточный сосуд до некоторого промежуточного давления. Частично охлажденная жидкость через другой дроссельный вентиль поступает в подземный резервуар с температурой, соответствующей температуре кипения при давлении, близком к атмосферному (для технического пропана - около -40 °C). Образующаяся в промежуточном сосуде паровая фаза сжиженного газа, дросселируясь до давления, не превышающего давление в подземном резервуаре, отбирается компрессором. Одновременно компрессор отбирает пары сжиженного газа, которые образуются в подземном резервуаре. По пути в компрессор пары проходят через теплообменник, где нагреваются до положительных температур. Компрессор сжимает пары до давления конденсации и в конденсаторе они превращаются в жидкость, охлаждаясь проходящей водой. Теплая жидкая фаза через теплообменник, нагревая встречным потоком проходящие пары, дрос-
Рис. 1.27. Строительство подземных резервуаров в искусственно замороженных грунтах:
а - схема выемки породы при строительстве низкотемпературного резервуара: 7 - разработка и выемка породы; 2- замораживающие колонки; 3- монтаж перекрытия; 4- погрузочный бункер; б- принципиальная схема низкотемпературного резервуара сжиженных газов: 7 - выработка-емкость;
2 - перекрытие резервуара с теплоизоляцией; 3 - теплоизоляция резервуара (при хранении сжиженного природного газа); 4 - сжиженный газ; 5 - замораживающие колонки; 6 - напорный резервуар ; 7-осушитель; 8- промежуточный сосуд; 9-теплообменник; 10- компрессор; 71 - конденсатор; 72-подогреватель; 73-погружной насос; 74-зона замороженных пород; 75-водоупор; 16- место ввода воды; 17 - место входа и выхода пара
селируется в промежуточный сосуд, повторяя замкнутый цикл и поддерживая режим хранения продукта. При помощи погружного насоса сжиженный газ откачивается из подземного резервуара для выдачи потребителю, при необходимости нагреваясь в подогревателе.
Низкотемпературные шахтные хранилища сжиженного природного газа и этилена могут сооружаться в устойчивых горных породах на небольшой глубине от поверхности (10-50 м), ниже уровня подземных вод. Такие хранилища представляют собой горизонтальные выработки-емкости, соединенные с поверхностью вертикальными или наклонными стволами.
Создание и поддержание низких отрицательных температур в хранилищах (-162 °C для природного газа и -104 °C для этилена) осуществляется энергоемкими установками низкотемпературного холода. Энергозатраты составляют основную часть эксплуатационных расходов. Поэтому экономические преимущества подземных низкотемпературных шахтных хранилищ в значительной степени определяются теп- лопритоками из массива пород. Для уменьшения теплопритоков применяют специальные покрытия всех внутренних поверхностей выработок-емкостей, предотвращающие распространение газа в породах и уменьшающие его испарение. Внутренняя поверхность выработок-емкостей покрывается гидроизоляцией, затем адгезионным слоем, обеспечивающим сцепление гидроизоляции с укладываемой поверх нее теплоизоляцией из пенопласта. В свою очередь, теплоизоляция покрывается эластичной непроницаемой для газа облицовкой. Гидроизоляция предназначается для закрытия возможных трещин на поверхности стен выработок-емкостей и должна быть непроницаемой для воды. Она должна обладать также хорошей адгезией к влажным породам и не отслаиваться при замерзании. Материалом гидроизоляции могут быть цементные растворы. В качестве теплоизоляции, которая должна иметь низкую теплопроводность и не разрушаться при отрицательных температурах, используют пенопласт из полиуретана. Непроницаемая для газа облицовка выполняется комбинированной из алюминия и пластмассы. Такая облицовка обладает высокой прочностью на растяжение и низкой газопроницаемостью.
Одним из наиболее ответственных этапов в строительстве шахтных низкотемпературных хранилищ является их первоначальное заморажи-
вание. Замораживание породы является сложной операцией в связи с необходимостью обеспечения медленного и равномерного продвижения фронта замораживания. В качестве хладагента обычно применяется предназначаемый к хранению газ в жидком состоянии. Продвижение фронта замораживания контролируется термопарами. Продолжительность замораживания составляет несколько недель. После замораживания хранилище заполняется газом строго до расчетного уровня, чтобы избежать перенапряжения стенок выработок-емкостей. Откачка газов осуществляется погружными насосами, иногда при помощи газлифта.
Разработки в области низкотемпературных шахтных хранилищ свидетельствуют о том, что их создание - достаточно сложная инженерная задача и что поддержание низких температур и возведение теплоизоляционных покрытий в выработках-емкостях требуют значительных расходов. Так, дополнительные затраты только на устройство внутренней изоляции емкостей почти вдвое превышают стоимость собственно горнопроходческих работ.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Перечислите виды подземных хранилищ с искусственной изоляцией.
Опишите последовательность расчета обделки напорных резервуаров с искусственной изоляцией.
Укажите особенности строительства низкотемпературных подземных резервуаров сжиженных газов.
Укажите основные конструктивные элементы низкотемпературных хранилищ для сжиженного природного газа и этилена.
Глава 4
Выработки хранилищ в вечномерзлых породах
Вскрывающие выработки
П о типу вскрывающих выработок преимущественное положение занимают наклонные стволы, проходку которых осуществляют под углом а = 14-5-25° к горизонту. Угол наклона а выбирается в зависимости от способа проходки (рис. 1.28).
Сопряжение наклонного ствола с центральной выработкой крепится всплошную, длина крепления по стволу и по центральной выработке должна быть не менее 4 м.
Размеры и форма поперечного сечения вскрывающих выработок принимаются из условия обеспечения их устойчивости на периоды строительства и эксплуатации хранилища. Закрепное пространство вскрывающих выработок герметизируется послойным намораживанием снизу вверх водонасыщенного песка. Герметизация наклонного ствола осуществляется на заключительной стадии строительства, по окончании технологического обустройства хранилища. Сначала с земной поверхности устанавливается органная крепь, несколько выше места сопряжения наклонного ствола и смотрового шурфа (колодца). Крепь с наружной стороны обшивается досками, на которые накладывается гидроизоляция. Потом в устьевой части ствола устанавливается крепь (неполный дверной оклад), а затем органной крепью перекрывается все сечение ствола и также обшивается досками, на которые крепится гидроизоляция (рис. 1.29). Вплотную к гидроизоляции весь ствол засыпается увлажненным грунтом и промораживается. Засыпка грунтом и промораживание его проводятся послойно, при этом толщина слоя не должна превышать 0,5 м. Над устьем ствола делается послойная отсыпка и промораживание грунта высотой не менее 1,5 м по отношению к уровню земной поверхности. Для герметизации вскрывающих выработок предусматриваются перемычки. Перемычка, перекрывающая наклонный ствол ниже смотрового шурфа (колодца), предназначается для дополнительной изоляции подземного резервуара от талых вод, а также для изоляции ствола и смотрового шурфа от хранимого продукта.
Ось смотрового колодца
4000
Рис. 1.28. Схема проходки наклонного
Показатели
Способ проходки комбайном
БВР
Угол наклона, а
Не>14°
Не>25°
Транспорт породы*
Скрепер СЯ-0,75
Скрепер СЯ-1,25
Тип лебедки
ЛСЭ-30, ЛСЭ-55, ЛСЭ-100
Бурение шурфов
-
Перф. ПР-ЗОР Эл/св ЭР
Тип ВВ
-
Аммонит Зерногранулит
Длина траншеи, м
18,9
10,1
Длина сплошного крепления, м
/, - не<1
/з-не<5
Шаг крепи по траншее, м
/2-не<1
Шаг крепи ствола, м
/4 - не<2
Сечение ствола**
8,8м2
В зависимости от объема транспортируемой породы.
*В проходке.
ствола
>3
Р*ис. 1.29. Схема герметизации устья ствола:
1 - смотровой колодец; 2 - органная крепь; 3 - ледопородная закладка; 4 - породная отсыпка; L, I - определяются углом наклона ствола а
Для доступа людей в хранилище в стенках перемычки устраиваются двери 1,5x0,6 м, которые с двух сторон обшиваются гидроизоляционным материалом.
Горизонтальные выработки-емкости и герметизирующие устройства
Как уже отмечалось, подземное хранилище в вечномерзлых породах представляет собой систему горизонтальных выработок-емкостей, примыкающих с одной или с двух сторон к центральной выработке. При двустороннем примыкании они располагаются в шахматном порядке (см. рис. I.9).
В первую очередь проходятся выработки, обеспечивающие создание сквозной вентиляции. Вентиляционные скважины для проветрива-
ния выработок бурят до начала проходческих работ. Не следует допускать поступления в выработки воздуха с температурой выше -3...-4 °C. Проходка подземных выработок производится буровзрывным способом, либо с применением комбайнов, а транспортирование породы, как правило, при помощи канатных скреперов.
Рекомендуемые формы поперечных сечений центральной и боковых выработок приведены на рис. 1.30. Центральная выработка должна иметь уклон по почве не менее 0,002 в сторону околоствольного двора и подъем по кровле в сторону ее торца для обеспечения стока продукта в зумпф и удаления воздуха из выработки через дыхательные скважины при заполнении резервуара водой и топливом.
К центральной выработке примыкают боковые выработки-емкости, рекомендуемые формы поперечных сечений которых также приведены на рис. 1.30.
Угол примыкания боковых выработок-емкостей к центральной следует принимать равным 90° (при буровзрывном способе проходки) и 60° (при проходке выработок-емкостей горнопроходческим комбайном). Боковые выработки-емкости имеют уклон не менее 0,002 по почве в сторону центральной выработки (для стока топлива) и подъем по кровле в сторону центральной выработки для удаления воздуха из выработок через дыхательную скважину, расположенную в торце центральной выработки. Сечение боковых выработок переменно по длине; в области сопряжения с центральной выработкой боковая имеет высоту 3,6 м, а в торце - 2,7 м.
Для герметизации подземного резервуара и предотвращения оттаивания мерзлой породы в период эксплуатации хранилища на внутренней поверхности выработок-емкостей необходимо намораживать ледяную облицовку толщиной 50-100 мм. В практике применяется способ намораживания ледяной облицовки путем заполнения всего объема выработок пресной водой с выдержкой ее в течение расчетного периода времени (20-25 сут) и последующей откачки незамерзшей воды при достижении ледяной облицовкой проектной толщины.
Намораживание ледяной облицовки происходит вследствие теплообмена между водой и массивом породы. Время намораживания зависит от теплофизических свойств грунта, температуры воды, заливаемой в подземные выработки, и отношения площади смоченной поверхности к объему воды.
Сечение 1Сечение 1Сечение 2Сечение 2Сечение 3Сечение 3Сечение 4Сечение 4
Сечение 1
Сечение 1
Сечение 2
Сечение 2
Сечение 3
Сечение 3
Сечение 4
Сечение 4
Рис. I.30. Формы поперечных сечений боковых (сечения 1 и 3) и центральных (сечения 2 и 4) выработок-емкостей.
Периметр для сечения, м: 1 - 13,5; 2 - 15.05; 3 - 18,3; 4 - 19,85; S в проходке (м2) для сечения: 1 - 11,8; 2 - 15,5; 3 - 22,3; 4 - 28,5; S в свету (м2) для сечения; 1 - 10,9; 2 - 14,5; 3 - 20,5; 4 - 26,5
До начала подачи воды в выработки хранилища с целью намораживания ледяной облицовки все вентиляционные скважины должны быть загерметизированы. Показания температуры по установленным в породе датчикам фиксируются в операторской на земной поверхности.
По длине наклонного ствола на расстоянии 15-20 м от смотрового колодца через 1 м друг от друга вмораживаются реперы, по которым фиксируется уровень воды в наклонном стволе во время намораживания ледяной облицовки. Такой способ, с одной стороны, позволяет судить о заполнении всех выработок хранилища водой, с другой, - вести контроль, помимо расчетного времени, за толщиной намораживаемой ледяной облицовки по объему воды, вытесненному в наклонный ствол.
Максимально допустимую температуру воды fmax (°C), сливаемой в выработки-емкости для намораживания ледяной облицовки, следует определять по формуле
. 2Xr(fp-tr)(Sq + jSw)
max Р CWJ^VQ ’
где t - температура фазового перехода воды в лед, °C; Хг - коэффициент теплопроводности вечномерзлых пород, Вт/(м-°С); tr - естественная температура вечномерзлых пород, °C; Sq - площадь почвы выработок-емкостей, м2; Sw- суммарная площадь стен выработок-емкостей, м2; Cw- объемная теплоемкость воды, Дж/(м3-°С); ar - коэффициент температуропроводности вечномерзлых пород, м2/с; V - объем выработок-емкостей, м3; Q - производительность заполнения выработок-емкостей водой, м3/с.
Расчеты и опыт показали, что заполнять выработки водой и откачивать воду после намораживания ледяной облицовки целесообразно с максимально возможной производительностью, предусмотрев меры, исключающие гидравлическое разрушение вечномерзлых пород.
Продолжительность заполнения водой выработок-емкостей подземного хранилища объемом 25 тыс. м3, как правило, не превышает трех суток.
Откачку воды после намораживания ледяной облицовки осуществляют непрерывно. В процессе откачки воды после намораживания ледяной облицовки производится тарировка резервуара.
В период намораживания ледяной облицовки осуществляется контроль за уровнем воды во вскрывающей выработке. Выработки-емкости можно считать герметичными, если за период намораживания ледяной облицовки, не считая первых двух суток после заполнения водой, понижения уровня воды во вскрывающей выработке не происходит.
В подземном резервуаре предусматривается, как правило, хранение одного вида продукта. При хранении в резервуаре продуктов нескольких видов их необходимо изолировать друг от друга перемычками. Конструкция и материал перемычек выбираются из условия обеспечения герметичности резервуара и пропуска технологических трубопроводов. В перемычках обязательно оборудуются люки-лазы (не менее 0,6x0,7 м в свету).
Породы на участках сооружения герметичных перемычек и на участках сопряжений выработок разрабатываются отбойными молотками и ослабленными зарядами взрывчатых веществ. Перемычки возводятся только в морозный период года путем послойной укладки гравийно-песчаной смеси высотой не более 0,1 м, заливки ее водой и промораживания. Контроль за промораживанием смеси осуществляется по показаниям датчиков температуры, размещенных в теле перемычки.
Вспомогательные выработки
К вспомогательным выработкам относятся:
смотровой колодец (для периодического осмотра подземного резервуара и выполнения ремонтных работ);
бункерная яма, переоборудуемая по окончании проходческих работ в зумпф для приема и отбора нефтепродуктов;
вентиляционные и дыхательные скважины;
» технологические скважины для заполнения выработок-емкостей водой, приема и отбора нефтепродуктов.
Смотровой колодец представляет собой вертикальную выработку прямоугольной или круглой формы, расположенную со стороны ходового отделения ствола, в той его части, которая закреплена и отделена от устья герметичной перемычкой. На рис. 1.31 и 1.32 приведены варианты конструкций смотрового колодца. Конструкция на рис. 1.32 предпочтительнее, с точки зрения защиты выработок от попадания сезонно-талых вод.
-J
2000 Г WOO
Раздел I
Il-IlIl-Il4ooo1 Рис. 1.32. Конструкция смотрового колодца (вариант II)4ooo1 Рис. 1.32. Конструкция смотрового колодца (вариант II)
Il-Il
Il-Il
4ooo1 Рис. 1.32. Конструкция смотрового колодца (вариант II)
4ooo1 Рис. 1.32. Конструкция смотрового колодца (вариант II)
Бункерная яма руддвора на период проходки выработок-емкостей перекрывается сверху сплошным накатником из бревен и металлическим листом, либо железобетонными плитами. По окончании проходческих работ перекрытие демонтируется, а бункерная яма расширяется до 3x3x3 м.
Временные вентиляционные скважины диаметром до 400 мм обсаживаются трубами с поверхности земли на глубину 2-3 м. По окончании проходческих работ они ликвидируются путем тампонажа в области сопряжения их с кровлей выработок-емкостей и последующей послойной засыпкой и промораживанием водонасыщенной породы.
Расположение дыхательных скважин определяется объемно-планировочными решениями. Дыхательная скважина обсаживается трубами диаметром 150 мм на всю глубину, а затрубное пространство герметизируется. На поверхности земли оголовок скважины обустраивается дыхательным клапаном.
В качестве технологических скважин для подачи воды в шахту целесообразно использовать вентиляционные скважины, обсаженные трубами с поверхности земли до глубины 1,5-2 м. В скважину опускают водовод (рис. 1.33), последний став которого перфорирован и устанавливается на железобетонную плиту, либо свободно подвешен в нижней части выработки. До ввода подземного хранилища в эксплуатацию узел подачи воды должен быть демонтирован, а скважина ликвидирована.
Слив нефтепродуктов в подземные резервуары, независимо от того, каким видом транспорта они поступают на хранилище, производится через технологические скважины 3 (рис. 1.34).
Термометрами, установленными в термокарманах Т, замеряется температура сливаемого продукта. В выработке-емкости технологическая скважина оборудуется распределительным устройством 13, обеспечивающим рассредоточение тепловой нагрузки по длине выработки. Распределительное устройство может быть выполнено в виде подземного теплообменника, который вмораживается в лед скреперной дорожки центральной выработки в процессе намораживания ледяной облицовки. В зависимости от требуемой протяженности трубопровода, он может быть уложен в одну или более ниток или выполнен в форме змеевика. Конструктивные параметры теплообменника (диаметр и общая протяженность труб) определяются расчетом.
Рис. 1.33. Конструкция технологической скважины для заполнения выработок-емкостей водой:
1 - водовод; 2 - центрирующее кольцо; 3 - железобетонная плита
Как правило, нефтепродукты поступают в технологические скважины с положительной температурой, превышающей, хотя бы на короткий период, допустимое значение по условию сохранения пород, вмещающих выработки-емкости, в твердомерзлом состоянии. Поэтому технологическая скважина должна быть теплоизолирована.
Рис. 1.34. Технологическая схема эксплуатации подземного хранилища:
1, 10 - фильтры; 2, 11 - жидкостные счетчики; 3 - технологическая скважина для слива нефтепродуктов; 4 - указатель уровня топлива в выработке-емкости; 5 - технологическая скважина для отбора нефтепродуктов; 6 - манометр; 7 - погружной насос; 8 - металлический резервуар; 9 - насос; 12 - наливной стояк; 13 - устройство для рассредоточения тепловой нагрузки при сливе нефтепродукта по длине выработки-емкости; 14 - зумпф; Г - термокарман с термометром
Технологические скважины для слива нефтепродуктов в хранилище (рис. 1.35) оборудуются двумя соосно расположенными трубами по всей глубине. Внешняя труба 6 (219x9 мм) является обсадной, а внутренняя 7 (108x4 мм) - технологической, по которой производится слив продукта в резервуар.
Затрубное пространство обсадной колонны скважины герметизируют путем послойного промораживания водопесчаной пульпы. После полной проморозки водопесчаной пульпы в затрубном пространстве скважин производят теплогидроизоляцию их оголовков 5. Общая высота теплогидроизоляционного слоя составляет 0,5-0,6 м. Расчеты и практика показали, что такой слой теплогидроизоляции обеспечивает сохранение теплового режима оголовка скважин.
Опыт эксплуатации подземных хранилищ, построенных в вечномерзлых породах, свидетельствует о необходимости надежного обеспечения устойчивости и герметичности технологических скважин. При закачке нефтепродуктов с положительной температурой через нетеплоизолированную колонну труб обсадная колонна и замороженная водопесчаная смесь нагреваются, в результате чего в затрубном пространстве об-
Рис. 1.35. Технологическая скважина для заполнения выработок-емкостей нефтепродуктом:
1 - сетчатый фильтр; 2 - жидкостный счетчик; 3 - термокарман; 4 - теплоизоляция; 5 - теплогидро- изоляция оголовка скважины; 6 - обсадная колонна; 7 - внутренняя (рабочая) колонна; 8 - выработка-емкость
разуется пульпа, которая начинает поступать в выработку-емкость. При этом технологическая скважина теряет устойчивость и становится негерметичной. Дальнейшая эксплуатация нетеплоизолированной скважины может привести к опусканию обсадной колонны и обрушению пород в зоне сопряжения скважины с выработкой-емкостью.
Следует подчеркнуть, что трудоемкость и стоимость работ по теплоизоляции технологических колонн в значительной мере зависят от толщины слоя теплоизоляции. Расчет толщины теплоизоляции, минимально допустимой по условию сохранения в мерзлом состоянии материала затрубья обсадной колонны скважины, приведен в СП 34-106-98 «Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки».
Оттаивания и разрушения вечномерзлых пород в окрестности выработок не происходит, если скорость подвода тепла к поверхности теплообмена не превышает способности мерзлых пород отводить тепло в глубь массива. Исходя из этого условия и используя экспериментальные данные, разработаны методики расчета максимально допустимой температуры топлива (^п) по условию сохранения породы в твердомерзлом состоянии.
(I.7)
где QT - производительность заполнения резервуара нефтепродуктом, м3/с; 1/ - объем нефтепродукта, слитого в выработки-емкости, м3; аж - коэффициент теплоотдачи от нефтепродукта к внутренней стенке трубы или к мерзлой породе, Вт/(м3-°С); Ст - объемная теплоемкость нефтепродукта, Дж/(м3-°С); Pq - периметр почвы выработок- емкостей, м; h - уровень залитого топлива, м; остальные обозначения прежние - см. формулу (1.6).
Технологические скважины (колодец) для отбора топлива располагаются непосредственно над зумпфом в центральной выработке. Узел отбора топлива и замера его уровня в выработках-емкостях размещается в технологическом колодце (рис. 1.36), либо в технологических скважинах, обсаженных трубами диаметром не менее 500 м.
Откачка продукта из хранилища осуществляется погружным насосом, размещенном в зумпфе. На земной поверхности, манометром 6 и термометром Г (см. рис. 1.34) контролируются соответственно давление и температура топлива, выдаваемого из подземного резервуара и поступающего в наземный металлический резервуар 8 объемом 50 м3. Далее, из наземного металлического резервуара топливо центробежным
Рис. 1.36. Схема технологической скважины (колодца), оборудованной для эксплуатации хранилища:
1 - два отверстия 0,7x1,8 м и два отверстия 0,5x1,8 м; 2 - два полукольца на сварке; 3 - шурф; 4 - секции трубы насоса; 5 - грунтовая отсыпка; 6 - электродвигатель насоса; 7 - уровнемер; 8 - пол насосной; 9 - лента уровнемера; 10 - водопесчаная пульпа; 11 - направляющие струны; 12- поплавок; 13 - съемная сетка; 14 - зумпф; 15 - груз
насосом подается через двойной сетчатый фильтр 10, жидкостный счетчик 11 и наливной стояк 12 потребителю.
В некоторых случаях, когда достаточен напор погружного насоса, топливо может подаваться непосредственно в бензовоз, проходя через фильтр и счетчик, минуя наземный металлический резервуар.
Управление насосами - дистанционное.
В период закачки топлива в выработки-емкости, во время хранения, а также в процессе отбора топлива ведется наблюдение за уровнем жидкости.
Конструкция технологических скважин для отбора топлива на рис. 1.34, 1.36 может применяться при глубине заложения почвы выработок-емкостей не превышающей 25 м. При более глубоком заложении выработок следует предусматривать подземную насосную станцию.
Создание высокоэкономичных комплексов подземных и наземных сооружений, обеспечивающих прием, хранение и отбор нефтепродуктов из выработок-емкостей, потребовало оценить устойчивость последних во времени.
Многолетний опыт разработки месторождений полезных ископаемых в вечномерзлых породах свидетельствует об устойчивости выработок, если их пролет не превышает ширины опорного целика.
Более подробно метод расчета устойчивости выработок-емкостей в вечномерзлых породах изложен в разд. II, гл. 2, § 2.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Опишите устройство наклонных стволов хранилищ в вечномерзлых породах.
Для какой цели и каким образом создается ледяная облицовка в выработках-емкостях?
Перечислите вспомогательные горные выработки, необходимые для эксплуатации хранилища в вечномерзлых породах.
Нарисуйте конструкцию технологической скважины для заполнения выработок-емкостей нефтепродуктом.
Определите максимально допустимую температуру воды для намораживания ледяной облицовки и максимально допустимую температуру нефтепродукта, сливаемого в подземный резервуар, по условию сохранения породы в твердомерзлом состоянии.
Глава 5
Анализ опыта прпектпрппанпп л строптельства храниплщ шахтного типа
Специально сооружаемые подземные хранилища
Анализ опыта проектирования и строительства подземных газонефтех- ранилищ шахтного типа показывает, что использование подземных резервуаров тех или иных видов тесно связано с регионами, где они впервые были применены, исходя из местных горно-геологических условий и разработанных технических решений, технологии строительства и эксплуатации. Так, в странах Скандинавии, территория которой сложена крепкими кристаллическими породами, получили развитие хранилища для нефти, нефтепродуктов и сжиженных углеводородных газов (СУГ) с выработками-емкостями в виде незакрепленных камер большого сечения, эксплуатирующихся с доступом подземных вод в выработки. В США первоначально строились хранилища СУГ относительно небольших размеров в практически непроницаемых породах (например, в глинистых мергелях и сланцах) с замкнутой системой выработок-емкостей. В качестве вскрывающих выработок использовались вертикальные стволы малого сечения (диаметром около 1 м). Для проходки выработок использовалось, как правило, специальное малогабаритное оборудование. В б. СССР построены хранилища для нефтепродуктов в практически непроницаемых породах (типа глин) с использованием технологии, принятой в организациях Метростроя, и в вечномерзлых породах с применением технологии строительства, принятой в золотодобывающей промышленности.
В мире создано около 50 млн м3 резервуарной емкости в специально построенных хранилищах шахтного типа. Большая часть этого объема приходится на хранилища в устойчивых кристаллических породах с доступом подземных вод к выработкам-емкостям.
Это объясняется двумя причинами. Во-первых, хранилища в скальных породах имеют, как правило, большие объемы (сотни, а иногда и миллионы кубических метров), что существенно повышает их экономическую эффективность, так как уменьшаются удельные капиталовложения на 1 м3 резервуарной емкости. Во-вторых, породные массивы с горно-гео-
логическими условиями, которые требуются для создания таких хранилищ, распространены значительно шире, чем площади развития практически непроницаемых пород. Характерным примером может служить история развития хранилищ шахтного типа в США и Франции, где в 50-х - 60-х гг. нашего столетия строились хранилища небольшого объема, преимущественно в практически непроницаемых породах, а, начиная с 70-х гг., строились исключительно подземные хранилища с доступом подземных вод в выработки по скандинавской технологии.
Тем не менее, для условий России хранилища в непроницаемых породах, прежде всего вечномерзлых, имеют большое значение. Такие хранилища нашли применение для создания запасов топлива в районах Крайнего Севера, где завоз нефтепродуктов происходит 1 раз в год. Для условий северных регионов подземные хранилища конкурентоспособны по сравнению с наземными складами в силу экономических, технических и экологических преимуществ.
Хранилища в непроницаемых неустойчивых породах с положительной температурой из-за их высокой стоимости не нашли широкого применения. Однако в некоторых случаях, когда это диктуется острой хозяйственной необходимостью, невозможностью размещения складов на поверхности или военными соображениями, они являются единственно возможным способом создания запасов жидких углеводородов.
Что касается хранилищ с искусственной герметизацией (напорных и безнапорных), то этот вид резервуаров находится в стадии опытного и опытно-промышленного освоения.
Примером создания хранилищ в кристаллических обводненных породах может служить хранилище нефти вблизи г. Хельсинки (Финляндия) на побережье Финского залива.
Хранилище, общий объем которого превышает 2 млн м3, состоит из десяти выработок-емкостей, разделенных натри группы, и эксплуатируется с подпором подземными водами. Объемы отдельных выработок- емкостей изменяются от 70 до 180 тыс. м3. Крупнейшая резервуарная единица, в которой две выработки-емкости соединены между собой, имеет объем 220 тыс. м3. Подземный резервуар представляет собой протяженные выработки с параболической (арочной) формой поперечного сечения. Выработки-емкости одной группы параллельны, и минимальная ширина целика между ними (у почвы) составляет 20-25 м. Площадь
поперечного сечения выработок-емкостей первой группы - 338 м2, второй и третьей групп - 442 м2; высота выработок-емкостей - 30 м, ширина - 12-18 м, длина - от 170 до 400 м. Для заполнения выработок-емкостей, откачки нефти и подземных вод пройдены вертикальные стволы, по два на каждую выработку-емкость. В качестве вскрывающих выработок использовались наклонные стволы (уклон 1:7, ширина 8 м).
При сооружении хранилища основной объем работ приходился на проходку горных выработок, причем доля расходов на горнопроходческие работы составляет 60-70 % общих расходов на строительство. Как наиболее интересную с технической точки зрения, рассмотрим третью группу подземных резервуаров, которая состоит из четырех выработок-емкостей длиной по 400 м. Суммарный объем этой группы резервуаров составляет 720 тыс. м3. Общая мощность толщи горных пород в кровле выработок-емкостей равняется 30 м. Кровля выработок-емкостей расположена приблизительно на уровне моря, а почва - на 30 м ниже. Выработки пройдены в кристаллических породах (пегматитовых гранитах, мелкозернистых гнейсах и т. д.), в незначительной мере трещиноватых.
Горнопроходческие работы при создании подземного хранилища осуществлялись в четыре этапа: проходка вскрывающих выработок - транспортных наклонных стволов (45 тыс. м3 породы); разработка породы в верхней части выработок-емкостей (128 тыс. м3); разработка выработок- емкостей на полный объем (540 тыс. м3 породы) и проходка эксплуатационных вертикальных стволов (5 тыс. м3 породы).
Вскрывающие выработки (наклонные стволы) разрабатывались обычным буровзрывным способом. Бурение проводилось бурильными молотками с пневмоподдержек, причем буровое оборудование монтировалось на подъемную платформу, которая, в свою очередь, устанавливалась на шасси грузового автомобиля. Буровзрывные работы и уборка породы выполнялись бригадой из четырех бурильщиков и одного подсобного рабочего. Забой обуривался 70 шпурами. Расход взрывчатых веществ составлял 120 кг на один цикл. Подвигание забоя за одну от- палку составляло 2,6 м при глубине шпуров 3 м. Работы выполнялись упомянутой бригадой в течение 4-5 ч.
В каждой выработке-емкости первоначально разрабатывалась верхняя часть сечением около 80 м2. Бурение шпуров осуществлялось двустрелоч-
ными буровыми тележками. Подвигание забоя было такое же, как и при проходке вскрывающих выработок. Работу выполняли один бурильщик и один помощник. Откатка отбитой породы проводилась самостоятельной бригадой, которая применяла для погрузочных работ автокран.
Нижняя часть камер разрабатывалась двумя уступами. Подвигание забоя за одну отладку составляло 2,5 м. Эксплуатационные вертикальные стволы (всего восемь) проходились с поверхности земли буровзрывным способом. Погрузка отбитой породы в наклонных стволах осуществлялась гусеничными погрузчиками. Для погрузки породы при проходке верхней части выработок-емкостей использовался большой колесный погрузчик с вместимостью ковша 4,5 м3. Этот же погрузчик применялся и при разработке нижней части выработок-емкостей. Поскольку погрузочных пунктов было несколько и местоположение их часто менялось, проходимость машины имела решающее значение. Следует отметить, что если бы при погрузке использовались экскаваторы, высокой скорости проходки добиться бы не удалось. Транспортировка отбитой породы осуществлялась двенадцатью рудовозными автомобилями. Порода отвозилась на расстояние 1 км от выхода из ствола, где использовалась для планировки поверхности. Дороги в пределах участка строительства поддерживались все время в первоклассном состоянии. Их несущий слой был сделан из добытой породы, а верхнее покрытие - из щебня, расход которого за время строительства составил 10 тыс. м3.
Оборка породы в выработках занимала существенную часть в общем процессе проходки. В верхней части выработок-емкостей оборка производилась с платформы, установленной на ковше погрузочной машины. В процессе и после разработки уступов нижней части выработок- емкостей для оборки использовался автокран, на котором была установлена гидравлическая стрела с закрепленной на конце платформой. Параметры вылета стрелы были вполне достаточны для оборки породы даже в выработках-емкостях, пройденных полным сечением, так как платформу можно было поднять на высоту 36 м.
Когда первая выработка-емкость была полностью пройдена, приступили к основным горно-строительным работам, в результате чего уже через полгода часть выработок-емкостей была сдана в эксплуатацию, хотя проходка двух последних была еще не закончена. В горно-строительные работы входили: сооружение бетонных перемычек
в эксплуатационных вертикальных и транспортных наклонных стволах, а также тампонаж бетонных конструкций и горной породы. В каждом вертикальном стволе сделаны три бетонные перемычки, через которые пропущены сливо-наливные трубопроводы, идущие в выработки-емкости. При бетонировании перемычек бетон подавался по пластмассовым трубопроводам с использованием замедляющих воронок. Для сооружения перемычек в транспортных тоннелях использовался бетононасос. По контакту перемычек нагнетался цементный раствор по трубкам, заранее заложенным в конструкцию с тем, чтобы получить надежный контакт породы с бетоном. Кроме того, горные породы вокруг перемычек тампонировались на глубину 3-5 м в зависимости от их трещиноватости.
Проходка заняла 17 мес, что соответствует производительности 42,5 тыс. м3 породы в месяц. В дни самой высокой производительности загруженные рудовозы выходили на поверхность каждые две минуты.
Принцип эксплуатации хранилища основан на системе с постоянной водяной подушкой, выбранной главным образом из-за требования высокой скорости заполнения выработок-емкостей. Действительно, если использовать систему с изменяющимся уровнем водяной подушки, то высокая скорость заполнения выработок-емкостей обусловливает такую же быстроту отбора воды с последующей ее очисткой. При системе с постоянной водяной подушкой таких затруднений не имеется, и скорость заполнения выработок-емкостей зависит только от диаметра трубопровода и возможностей прочего оборудования.
Принципиальная технологическая схема хранилища нефти приведена на рис. 1.37. В отличие от подземных хранилищ, предназначенных для готовой продукции (например, керосина, мазута), где обычно имеется один ствол для залива и откачки, рассматриваемые выработки-емкости на концах оборудованы двумя вертикальными стволами. Один из стволов служит для заполнения выработки-емкости, другой - для откачки нефти и воды, просачивающейся по трещинам. Уровень воды в выработках-емкостях всегда поддерживается на высоте полуметра от дна. Выработки-емкости заполняются из танкеров по наземным трубопроводам и одному из стволов. Скорость заполнения зависит главным образом от мощности насосов судна и составляет от 4 до 9 тыс. м3/ч. Для предотвращения перелива выработок-емкостей сливной трубопровод автома-
Рис. 1.37. Принципиальная технологическая схема подземного хранилища нефти вблизи г. Хельсинки (Финляндия):
1 - трубопровод к нефтеперерабатывающему заводу; 2- буферный наземный резервуар; 3 - ствол для откачки нефти и воды; 4 - очистные сооружения для воды; 5 - ствол для залива нефти; 6 - танкер; 7 - максимальный уровень нефти в хранилище; 8 - максимальный уровень воды в хранилище; 9 - устройство для гашения скорости нефти при заливе; 10- герметичные перемычки; 11 - гидрозатворы; 12 - выработка-емкость; 13, 14 - погружной насос для откачки соответственно нефти и воды
тически закрывается, когда уровень нефти в выработке-емкости достигнет максимально допустимого значения.
Под стволом, предназначенным для откачки, сооружен зумпф, где помещены нефтяные и водяные насосы. Положение насосов регулируется. В каждой выработке-емкости имеется по два погружных электрических насоса для нефти и воды. Насосы подвешены на своих напорных трубопроводах, закрепленных в одной из бетонных перемычек в стволе. Электродвигатели расположены под насосами, электрические кабели подведены к ним сверху в специальных заполненных водой кабелезащитных трубопроводах. Водяные насосы предназначены для поддержания постоянного уровня воды в выработках-емкостях. Работа всех насосов организована таким образом, чтобы исключить возможность ошибочной перекачки воды нефтяными насосами, а нефти - водяными. Откачиваемая из подземных выработок-емкостей нефть попадает в наземные резервуары объемом 30 тыс. м3, откуда она подается насосами на переработку. Вода из подземных выработок-емкостей поступает в очистные сооружения и затем сбрасывается в море.
Для уменьшения потерь легких углеводородов из нефти давление паровой фазы в подземных выработках-емкостях поддерживается в пре-
делах 0,05-0,25 МПа. Для этого полость между двумя перемычками заполнена водой до такого уровня, чтобы высота ее столба уравновешивала максимальное давление паровой фазы в выработках-емкостях. Основные эксплуатационные трубопроводы пропущены через полость с водой в защитных кожухах таким образом, что их можно свободно извлекать на поверхность, а при необходимости заменять. Бетонные перемычки рассчитаны на внутреннее давление от возможных взрывов и наружное давление до 2 МПа. На это же давление рассчитаны перемычки, отделяющие транспортные наклонные стволы от выработок- емкостей. В этих стволах имеются двойные перемычки, полость между стенками которых также заполнена водой.
Подземные выработки-емкости запроектированы так, чтобы их работа была в максимальной степени надежной и простой. Выработки- емкости снабжены контрольно-измерительными приборами для автоматического управления операциями и предупреждения различных ошибочных действий. Например, при обрывах электро- или пневмо- воздушных сетей все вентили шахтных трубопроводов закрываются автоматически. Паровые пространства одной и той же группы выработок-емкостей соединены уравнивающими давление трубопроводами, которые снабжены пламеотсекателями и предохранительными клапанами для поддержания давления паровой фазы в заданных пределах. При больших дыханиях паровая фаза сбрасывается в атмосферу на высоту 15-20 м от поверхности земли. Малых дыханий
Таблица 1.2
Подземные хранилища, построенные в вечномерзлых породах, не содержащих
Хранилище
Объем резер- вуара, тыс. м3
Сроки строительства
Форма кровли
Глубина заложения почвы выработок- емкостей, м
Начало
Окончание
«Полярный»
20
1970
1971
Плоская
25
№1Ш
9
1969
1970
«
14
№2Ш
13
1970
1971
«
19,5
№ ЗШ
11
1970
1971
«
18,5
№4Ш
18
1973
1974
Параболическая
18
№5Ш
18
1971
1972
Плоская
19
Рис. 1.38. Схема подземного хранилища сжиженного газа вблизи г. Марселя (Франция): 7 -эксплуатационный ствол;2-уро- вень подземных вод; 3 - спиральный наклонный ствол (строительный подход); 4 - перемычки; 5 - выработки-емкости
Разрез поА-АРазрез поА-Апрактически не происходит в связи с постоянной низкой температурой в выработках-емкостях.
Разрез поА-А
Разрез поА-А
В качестве примера подземной выработки-емкости для сжиженного газа в трещиноватых породах можно привести хранилище пропана вблизи г. Марселя (Франция) (рис. 1.38).
полезных ископаемых
Параметры выработок
Тип пород, вмещающих выработки- емкости
Температура i породы, °C ;
Площадь поперечного сечения, м2
Ширина пролета, м
Высота, м
22,5
10
2,5
Песчано-супесчаные отложения с включением гравия и гальки
-7
15
6
2,5
Пески, суглинки и крупнообломочные по-
-7,5
26
6
4,5
роды, подстилаемые на глубине 14-19 м
-7,2
26
5
4,5
коренными породами - глинистыми слан-
-7,2
26
5
4,5
цами и микродиоритами
-7,5i
26
5
4,5
-7,5
Оно состоит из трех выработок-емкостей, расположенных на глубине около 100 м от поверхности. Высота выработок-емкостей - 20 м, ширина -13 м, длина - от 160 до 200 м; ширина междукамерных целиков - 22 м . Вскрывающая выработка, по которой транспортировали породу, имеет спиральную форму.
Объектами, построенными в практически непроницаемых вечномерзлых породах, являются хранилища дизельного топлива на севере Магаданской области.
Основная информация о подземных хранилищах, построенных в вечномерзлых породах, приведена в табл. I.2.
Характерным примером является хранилище, построенное на мысе Шмидта. По данным разведочных скважин площадка сложена вечномерзлыми песками, суглинками и крупнообломочными породами, подстилаемыми на глубине 14,5-18,5 м глинистыми сланцами и роговооб- манковыми микродиоритами (рис. 1.39).
Торф, мелкая супесьТорф, мелкая супесьПескиПески2,5 м2,5 м8,5 м8,5 м10,0 м10,0 м14,5м14,5м18,6 м18,6 мПески мелкие, реже гравелистыеПески мелкие, реже гравелистыеСуглинки,галька, гравийСуглинки,галька, гравийКрупнообломочные(галька, гравийс песчаным заполнителем)Крупнообломочные(галька, гравийс песчаным заполнителем)Элювиальные породы (суглинки,супеси и крупнообломочные глинистые сланцы и микродиориты)Элювиальные породы (суглинки,супеси и крупнообломочные глинистые сланцы и микродиориты)Коренные породы (трещиноватые глинистые сланцы с глинистым заполнителем)Коренные породы (трещиноватые глинистые сланцы с глинистым заполнителем)Рис. 1.39. Сводный геологический разрез по площадке хранилища дизельного топлива на мысе ШмидтаРис. 1.39. Сводный геологический разрез по площадке хранилища дизельного топлива на мысе Шмидта
Торф, мелкая супесь
Торф, мелкая супесь
Пески
Пески
2,5 м
2,5 м
8,5 м
8,5 м
10,0 м
10,0 м
14,5м
14,5м
18,6 м
18,6 м
Пески мелкие, реже гравелистые
Пески мелкие, реже гравелистые
Суглинки,галька, гравий
Суглинки,галька, гравий
Крупнообломочные
(галька, гравий
с песчаным заполнителем)
Крупнообломочные
(галька, гравий
с песчаным заполнителем)
Элювиальные породы (суглинки,супеси и крупнообломочные глинистые сланцы и микродиориты)
Элювиальные породы (суглинки,супеси и крупнообломочные глинистые сланцы и микродиориты)
Коренные породы (трещиноватые глинистые сланцы с глинистым заполнителем)
Коренные породы (трещиноватые глинистые сланцы с глинистым заполнителем)
Рис. 1.39. Сводный геологический разрез по площадке хранилища дизельного топлива на мысе Шмидта
Рис. 1.39. Сводный геологический разрез по площадке хранилища дизельного топлива на мысе Шмидта
Рис. 1.40. Схемы расположения выработок- емкостей подземных хранилищ (№ 1Ш - 5Ш) на мысе Шмидта:х>
1 - наземная нефтебаза; 2 - станции огнегасительных ус- тановок; 3 - дизельная электростанция; 4 - пожарная частьх>
Объемно-планировочные решения секций подземных хранилищ и их взаимное расположение на площадке приведены на рис. I.40.
Проходка выработок осуществлялась буровзрывным способом, транспортировка породы на поверхность земли производилась скреперными лебедками 2ЛСЭ-28, 30 ЛС-2С с ковшами вместимостью 0,5-1,25 м3. Во всех выработках-емкостях создавалась ледяная облицовка толщиной 5 см, путем полного заполнения выработанного пространства водой с температурой, близкой к 0 °C и последующей откачки воды через определенный промежуток времени. Контроль за намораживанием облицовки осуществлялся по объему воды, вытесняемой в наклонный ствол. В каждом резервуаре был предусмотрен технологический узел, состоящий из четырех скважин, две из которых служили для подачи в резервуар нефтепродукта, остальные две - дыхательная и контрольная - служили для измерения уровня нефтепродукта в выработках-емкостях.
Площадь поперечного сечения выработок-емкостей первой секции (№ 1Ш) - 15 м2, остальных секций - 20-30 м2. Пролет выработок-емко-
стей первой секции -4 м, остальных секций -6 м, высота выработок - 4-5 м. Форма поперечного сечения - прямоугольная. Толщина целиков между соседними выработками-емкостями в каждой секции хранилища составляет 15 м. Крепление не предусматривалось, так как принятый пролет выработок-емкостей назначен с большим запасом прочности. Каждая секция хранилища состоит из одной центральной выработки и отходящих от нее под прямым углом в обе стороны боковых выработок-емкостей.
В непроницаемых неустойчивых породах с положительной температурой построено хранилище нефтепродуктов на окраине г. Таллинна (Эстония). Оно состоит из вскрывающей выработки (вертикальный ствол), коллекторной и подходных выработок, вертикальных «слепых» стволов и горизонтальных выработок-емкостей (рис. 1.41).
Выработки-емкости, построенные Ленметростроем с применением немеханизированного щита, расположены в практически непроницаемых глинах лонтоваской свиты нижнего кембрия (аналог «синих» глин, в которых пройдена часть выработок Санкт-Петербургского метрополитена).
Вертикальный ствол диаметром 6 м закреплен чугунными тюбингами с чеканкой швов свинцом. В нем размещен лифтовый подъемник, лестничное отделение, вентиляционные трубы и электрокабели. Оголовок ствола выполнен из железобетона, к нему примыкают две патер- ны, в одной из которых размещены вентиляторы, в другой - установка пожаротушения.
Горизонтальная коллекторная выработка служит для доступа обслуживающего персонала через подходные выработки в насосные камеры объекта, расположенные в «слепых» стволах. Насосы установлены на металлических перемычках, перекрывающих все сечение «слепого» ствола.
Выработки-емкости (непосредственно резервуары) расположены на более низком уровне (примерно на 10 м ниже, чем коллекторная и вспомогательные выработки). Они представляют собой протяженные тоннели, пройденные с небольшим уклоном (/ = 0,002) в сторону «слепых» стволов. Таким образом, максимальный уровень взлива продукта в резервуаре всегда ниже перемычки насосной в «слепых» стволах.
Все горизонтальные выработки хранилища имеют круглое сечение и закреплены железобетонными тюбингами диаметром 5,5 м в свету. Тю-
5
Рис. 1.41. Схема подземного хранилища нефтепродуктов в неустойчивых непроницаемых породах на окраине г. Таллинна (Эстония):
1 - вертикальный ствол; 2 - коллекторная выработка; 3 - подходная выработка; 4 - "слепой" ствол; 5 - выработка-емкость; 6 - нефтепродукт
бинги скреплены болтами, а швы зачеканены расширяющимся цементом. Строительный зазор между тюбингами и вмещающей породой заполнен цементно-песчаным раствором. Крепь выработок предназначена для поддержания их в устойчивом состоянии и не является изоляцией для хранимого продукта. Герметичность выработок-емкостей обеспечивается их расположением в практически непроницаемой толще лонтоваских глин.
Хранилища в отработанных горных выработках
О коло 20 подземных хранилищ, сооруженных на базе отработанных выработок, эксплуатируются в России, США, Франции, Германии, ЮАР, Бельгии, Швеции. Герметичность приспособленных выработок обеспечивается как практической непроницаемостью вмещающих пород, так и подпором подземных вод на поверхность выработок. Примерами отработанных выработок в практически непроницаемых породах могут служить выработки в каменной и калийной солях, ангидритах, гипсах и вечномерзлых породах.
Опыт переоборудования отработанных выработок показывает, что наряду с геолого-гидрогеологическими условиями, обеспечивающими герметичность резервуара, определяющее влияние на выбор объекта оказывает его объемно-планировочное решение, обусловливающее долговременную устойчивость выработок-емкостей и возможность нормальной эксплуатации хранилища. Отметим основные моменты объемно-планировочных решений, выявляющиеся при анализе фактического материала.
В подземные резервуары переоборудованы выработки только тех предприятий, где отработка полезного ископаемого выполнялась по камерной или камерно-столбовой системе. Как правило, объект на базе отработанных выработок является резервуаром для одного вида продукта.
Глубина заложения подземных резервуаров на базе отработанных выработок изменяется в широких пределах (от первых десятков до сотен метров). При этом необходимым условием для выработок в породах с положительной температурой является их расположение ниже местного уровня подземных вод, а для выработок в вечномерзлых породах - ниже уровня сезонных колебаний температуры.
На всех известных объектах вскрывающими выработками являются вертикальные или наклонные стволы.
В качестве хранилищ используются как системы выработок, расположенных в одном уровне, так и шахтные поля с пологим или крутым падением.
Размеры и форма поперечного сечения выработок-емкостей и целиков могут быть любыми, если согласно расчетам обеспечивается их долговременная устойчивость.
Особо следует остановиться на выработках в вечномерзлых породах. Здесь чрезвычайно важным фактором является тепловое влияние закачиваемого продукта на устойчивость выработанного пространства. В результате закачки продукта с температурой выше температуры окружающего массива происходит ослабление целиков, опускание кровли выработок и снижение полезного объема резервуара. Поэтому хранилища в отработанных выработках, пройденных в вечномерзлых породах, рассчитываются как временные (по данным практики срок эксплуатации от 3 до 15 лет).
Исходя из расчетного срока эксплуатации и параметров выработанного пространства расчетными методами определяется регламент эксплуатации хранилища по температуре сливаемого продукта, производительности слива, его рассредоточение и пр. Размер междукамерных целиков, ширина выработки-емкости и их соотношение оказывают непосредственное влияние на устойчивость выработок-емкостей. При выборе шахт для переоборудования следует стремиться к тому, чтобы ширина целика была не менее удвоенного радиуса теплового влияния выработки-емкости при заполнении ее топливом с максимально допустимой по регламенту эксплуатации температурой. В переоборудованных шахтах ширина междукамерных целиков изменяется в широких пределах (от 2 до 22 м). Соответственно, больший срок эксплуатации имеют шахтные хранилища с большими междукамерными целиками, в меньшей степени поддающимися тепловому воздействию.
В целом опыт строительства и эксплуатации таких хранилищ показывает, что основные сложности возникают в результате нарушения теплового режима ледопородных выработок-емкостей, так как в большинство районов Крайнего Севера топливо доставляют летом с температурой 5-15 °C. Возможно охлаждение жидкого топлива непосредственно
перед его сливом в подземный резервуар. Однако применение холодильных машин в условиях Крайнего Севера, как правило, экономически не оправдано, а прокачка поступающего на хранение теплого топлива по трубам, вмороженным в лед, позволяет понизить температуру топлива при сливе его в резервуар только в области положительных значений, что не дает возможность сохранить естественную температуру мерзлой породы в период эксплуатации хранилища.
На базе исследований, выполненных в лабораторных и натурных условиях, научно обоснованы, разработаны и внедрены технические решения, обеспечивающие надежную эксплуатацию шахтных хранилищ, сущность которых заключается в следующем.
Создание теплового буфера, в качестве которого служит ледяная облицовка, намораживаемая на внутренней поверхности выработок-емкостей путем их временного заполнения пресной водой. Температура воды должна быть близкой к О °C, но не выше рассчитанной по формуле (I.6), с целью предотвращения опаивания вечномерзлых пород на поверхности выработок-емкостей. Поскольку при намораживании ледяной облицовки существенно повышается температура вечномерзлых пород, возможно их охлаждение принудительной вентиляцией в холодное время года.
Предотвращение оттаивания выработок-емкостей в период их заполнения теплым продуктом путем регулирования скорости его слива.
Ежегодная аккумуляция холода атмосферного воздуха в вечномерзлых породах, вмещающих выработки-емкости. Понижение температуры вечномерзлых пород осуществляется в результате теплообмена с топливом, охлаждаемым в морозный период года посредством его прокачки через наземный трубопровод.
Рассредоточение тепловой нагрузки по поверхности теплообмена; охлаждение топлива путем его перемешивания с холодным остатком топлива в резервуаре; снижение гидравлической нагрузки на мерзлую породу при помощи специальных устройств для приема воды и топлива.
Предотвращение оттаивания вечномерзлых пород и возможного прорыва талых вод в выработки-емкости путем теплоизоляции технологических скважин.
Разработанная технология строительства и эксплуатации ледопородных шахтных хранилищ обеспечивает сохранность пород, вмещающих выработки-емкости, в мерзлом состоянии и позволяет поддерживать
среднегодовую температуру вечномерзлых пород не выше естественной (с тенденцией к возможному понижению); обоснована возможность повышения температуры на контуре резервуара до температуры фазовых переходов воды в период намораживания ледяной облицовки и заполнения жидким топливом.
Проведенные комплексные исследования, строительство опытных и промышленных хранилищ в вечномерзлых породах, разработка необходимых технических условий, государственных и ведомственных нормативных документов позволяет осуществлять строительство подземных хранилищ жидких углеводородных топлив в вечномерзлых породах в Восточном секторе Арктики, на нефтяных газовых месторождениях севера Тюменской области и Красноярского края, а также в Якутии и других районах Крайнего Севера.
Хранение нефтепродуктов в ледопородных подземных резервуарах позволило обеспечить долговременную сохранность их товарных свойств, исключить потери топлива от испарения, обеспечить пожаро- и взрыво- безопасность, на порядок сократить площади земельных участков, отчуждаемых под строительство нефтебаз, сохранить окружающую среду от загрязнения и обеспечить укрытие хранимых продуктов от поражения.
Как для вечномерзлых пород, так и для пород с положительной температурой, в качестве резервуара может использоваться как весь объем выработанного пространства, так и его часть. Неиспользуемые объемы (зоны с ослабленной устойчивостью, вывалоопасные зоны, участки, в которых могут образовываться «ловушки» хранимого продукта и т. п.) отсекаются от остальных выработок путем установки перемычек.
При значительном превышении объема выработанного пространства над запланированным объемом резервуара нижняя часть шахтного поля может быть заполнена водой (или насыщенным рассолом на солерудниках).
При переоборудовании в объемной планировке выработок осуществляются следующие основные изменения:
возведение дополнительной крепи на ослабленных участках;
ликвидация части горизонтальных небольших выработок, могущих служить «ловушками» для продукта, путем их закладки или тампонажа бетонами или растворами;
возведение перемычек в горизонтальных и наклонных выработках, отсекающих неиспользуемые части шахтного поля;
проходка дополнительных горизонтальных выработок для сбойки отдельных участков;
герметизация вскрывающих выработок, если они не используются в качестве резервуарной емкости или для размещения эксплуатационного оборудования;
герметизация путем ликвидационного тампонажа технологических и вентиляционных скважин, если они не используются при эксплуатации;
проходка дополнительных вертикальных или наклонных выработок (стволов, шурфов, скважин) для доступа в резервуар, размещения насосного оборудования и контрольно-измерительных приборов, ликвидации воздушных мешков и пр.
В России имеется опыт переоборудования и эксплуатации отработанных шахт в вечномерзлых породах. Под хранилища дизельного топлива переоборудовано несколько отработанных шахт по добыче золотоносных песков Полярнинского горнообогатительного комбината. Все переоборудованные шахты расположены в пределах двух добычных участков, отрабатывающих пласты песков с практически горизонтальным залеганием, поэтому все подземные резервуары находятся в одном уровне. Выработки пройдены в песчаногалечной толще вечномерзлых пород, мощность которой достигает 280 м, а температура пород на глубине заложения шахт составляет -7...-8 °C.
Принятая технология отработки полезного ископаемого (отбойка породы буровзрывным способом, транспорт породы к руддвору скреперными лебедками) обусловливает почти одинаковую объемную планировку подземного пространства (размеры шахтных полей, число, конфигурацию и место расположения вскрывающих и вспомогательных выработок, геометрические размеры, взаимное расположение очистных выработок).
Шахтные поля вскрываются одним или двумя наклонными стволами. Полезное ископаемое отрабатывается камерами-лавами прямоугольного сечения длиной 50 м, высотой около 2 м, с пролетом от 12 до 28 м при ширине междукамерных целиков от 2 до 22 м, что объясняется стремлением к наиболее полному извлечению полезного ископаемого. По периметру шахтного поля проходятся вентиляционные штреки сечением 4x2 м2. Вдоль всего шахтного поля, по его середине проходит скреперный штрек шириной 5-7 м. Очистные камеры относительно скреперного штрека располагаются либо симметрично, либо в
шахматном порядке. Глубина заложения почвы выработок - от 20 до 27 м. Вспомогательными выработками являются вентиляционные шурфы, а также технологические и вентиляционные скважины, пройденные с поверхности земли на выработки.
Для переоборудования под хранилища выбирались шахты, поля которых не сбиты выработками. С точки зрения объемной планировки, предпочтительнее шахты с большей толщиной междукамерных целиков и меньшим пролетом очистных камер.
Каждая из переоборудованных шахт рассчитана на заполнение всего полезного объема топливом одного вида. В процессе переоборудования в объемную планировку сооружения вносятся следующие изменения. Один из двух стволов погашается установкой перемычки в его нижней части с последующей засыпкой и промораживанием влажного грунта от перемычки до устья. Оставшийся ствол используется при эксплуатации для осмотра резервуара, при этом с целью недопущения попадания талых вод в резервуар производится обвалование устья ствола и его герметизация. С поверхности для доступа в ствол проходится смотровой шурф. В очистных выработках - будущих выработках-емкостях - устанавливается дополнительная крепь на ослабленных и вывалоопасных участках. Почва выработок планируется с уклоном к намеченному месту установки насосов.
Большая часть вспомогательных выработок (шурфов и скважин) тампонируется ледогрунтовой смесью. Оставляют один шурф, через который осуществляется отбор топлива насосами, и несколько скважин, предназначенных для слива топлива в резервуар. Расположение сливных скважин может быть различным, однако, как правило, они удалены от насосов выдачи топлива.
По разработанной технологии построено и введено в эксплуатацию семь подземных резервуаров общим объемом 220 тыс. м3 (табл. 1.3).
Для примера рассмотрим техническую характеристику и условия сооружения подземного хранилища на базе отработанной шахты № 163. Ее горный отвод находится в окружении отработанных шахтных полей и полей, предназначенных к отработке в последующие годы. Мощность пород (глубина залегания кровли выработок) - 21 м, выемочная мощность полезного ископаемого - от 1,8 до 2,2 м. Породы кровли и пласта полезного ископаемого представлены вечномерзлыми аллювиальными и морскими отложениями. Верхние слои сложены илисто-
Таблица 1.3
Подземные хранилища, построенные на базе россыпных отработанных шахт Магаданской области*
Номер шахты
Объем резер- зуара, тыс. м3
Сроки строительства
Глубина зало- жения почвы выработок, м
Тип пород, вмещающих выработки-емкости
Начало
Окончание
10
20
1970
1971
25
Песчано-супесчаные отложения с включениями гравия и гальки
40
33
1976
1977
20,5
Песчано-гравийно-галечные отложения с глининистыми
08
35
1985
1986
24
примазками и щебнем коренных пород
107
24
1977
1978
20
163
23
1979
1980
21,5
199
50
1982
1983
24
237-бис
35
1988
1989
27
* Форма кровли - плоская; температура породы - от -7 до -8 °C.
льдистым материалом с включением обломочных пород. Нижележащие слои сложены разнозернистыми песчано-супесчаными отложениями с включением гальки и гравия.
Шахтное поле шахты № 163 вскрыто одним наклонным стволом, пройденным под углом 16°. Размеры шахтного поля 220x90 м. Пролеты (ширина) камер достигают 20 м (рис. 1.42). Проходку горных выработок вели с применением буровзрывных работ. Уборка породы и полезного ископаемого из забоев и транспортировка по горизонтальным выработкам осуществлялись скреперными лебедками типа ЛС-100-2с, 55ЛС-2с и 30ЛС-2с. Подъем породы и полезного ископаемого на земную поверхность осуществляли ленточным конвейером. В отработанном пространстве шахты № 163 установлено кустовое крепление из деревянных стоек (три стойки в каждом кусте) по сетке 5x5 м.
Вскрывающими выработками, кроме наклонного ствола, являются три технологические скважины, обсаженные трубами диаметром 500 мм, в которых установлены два погружных насоса 12НА-9х4 и один уровнемер УДУ-5, а также технологические скважины (см. рис. 1.42,
Рис. 1.42. План расположения выработок-емкостей отработанной шахты № 163: 1-3 - технологические колодцы, в которых установлены погружные насосы и уровнемер; 4-8 - участки установки датчиков для замера температуры; 9 - наклонный ствол; скв. 1 - скв. 3 - технологические скважины для слива нефтепродуктов
скв. 1-3), обсаженные трубами диаметром 219 мм, для слива топлива в выработки-емкости.
Наземный комплекс хранилища позволяет осуществлять замер и регистрацию необходимых технологических параметров, учет топлива и регулирование скорости слива его в подземные резервуары. Производительность слива топлива в подземные резервуары не превышает 200 м3/ч, отбора продукта - 40 м3/ч.
После отработки шахты № 163, выполнения необходимого комплекса горнопроходческих работ, а также герметизации вскрывающих выработок, выработки-емкости заполнялись водой с целью создания ледяной облицовки. Вода с температурой, не превышающей 0,5 °C, закачивалась в шахту через две технологические скважины, а после намораживания ледяной облицовки отбиралась через наклонный ствол. Время закачки и отбора воды составило 9 сут, время нахождения шахты в затопленном состоянии - 11 сут. Средняя толщина ледяной облицовки определялась по объему воды, вытесненному в наклонный ствол, ее толщина на отдельных участках - по показаниям мерзлотомеров. Средняя скорость перемещения границы фазового перехода воды в лед со-
Таблица 1.4
Изменение температуры на контуре и в окрестности выработки-емкости при
Поверхность выработки
Расстояние от контура выра- ботки в глубь массива, м
Температура (°C) для различных
0 (до залива)
1 (в период залива)
Почва
0
-7,8
-0,9
0,1
-7,8
-2,0
1,0
-7,8
-7,8
Боновая стенка
0
-7,2
-4,1
0,1
-7,2
-6,3
1,0
-6,5
-6,5
Кровля
0,1
-7,8
-2,4
0,9
-6,9
-6,9
ставила 6 мм/сут. Выборочным бурением было установлено, что средняя толщина ледяной облицовки в выработках составляет: на почве - 75 мм, на стенках - 120 мм и на кровле - 70 мм.
В процессе заполнения выработок водой, намораживания ледяной облицовки и последующего восстановления теплового режима вечномерзлых пород, а также при эксплуатации подземного резервуара осуществлялись систематические измерения температуры.
Для исследования теплового режима резервуара использовались термисторы, термометры сопротивления и хромель-копелевые термопары, а также мерзлотомеры, применявшиеся для контроля скорости намораживания ледяной облицовки в выработках.
Из данных табл. I.4 следует, что тепловой режим вечномерзлых пород, вмещающих выработки-емкости, после их заполнения водой резко изменился. Инструментальными наблюдениями установлено, что в первые сутки после заполнения выработок водой температура вечномерзлых пород на глубине 0,1 м от контура выработок повысилась: в почве с - 7,8 до -1,4 °C, в боковой стенке с -7,2 до -1,6 °C и в кровле с -7,8 до 0,3 °C.
Анализ результатов дальнейших наблюдений за тепловым режимом подземного резервуара после намораживания ледяной облицовки, приведенных в табл. I.4, показал, что восстановление естественного температурного поля происходит крайне медленно. Так, перед заливом
намораживании ледяной облицовки до заполнения выработки топливом
моментов времени, сут
2 (непосредственно после залива)
13 (перед откачкой)
21 (после откачки)
50 (перед заливом)
-0,5
-0,4
-1,3
-4,1
-1,4
-0,7
-1,4
-4,1
-6,9
-3,6
-3,0
-4,2
+0,1
-0,3
-2,0
-3,6
-1,6
-1,0
-2,0
-4,0
-6,0
-3,3
-3,2
-4,0
+0,3
+0,05
-1,3
-4,1
-5,7
-0,5
-4,6
-4,6
топлива в резервуар (через 29 сут после намораживания ледяной облицовки) температура вечномерзлых пород была на 3,2-4,0 °C выше ее естественного значения. Именно поэтому максимальная тепловая нагрузка на вечномерзлые породы, вмещающие выработки-емкости, приходится на период первого их заполнения нефтепродуктом. Это обусловлено тем, что в течение короткого летнего сезона выработки- емкости отепляют дважды.
Кривые изменения температуры вечномерзлых пород в процессе заполнения резервуара топливом с допустимой тепловой нагрузкой (т. е. нагрузкой, не приводящей к оттаиванию породы) и его хранения при естественной начальной температуре породы приведены на рис. 1.43. Распределение температур в массиве вечномерзлых пород подчиняется экспоненциальному закону, максимальное значение температуры устанавливается на контуре выработок в период заполнения хранилища топливом (кривая 2). По окончании заполнения радиус теплового влияния продолжает увеличиваться, а градиент температуры уменьшается, т. е. происходит выравнивание температуры вечномерзлых пород и топлива. Многолетние наблюдения показывают, что при сливе жидкого топлива даже с небольшой положительной температурой (2-5 °C) за годовой цикл хранения естественная температура мерзлых пород без искусственных мероприятий не восстанавливается (кривая 3). При каждом очередном
Расстояние от контура выработки-емкости в глубь массива пород, мРасстояние от контура выработки-емкости в глубь массива пород, мРис. 1.43. Кривые распределения температур в массивах вечномерзлых пород, вмещающих выработки-емкости, на разных стадиях заполнения нефтепродуктом:1 - перед первым заполнением; 2 - в период заполнения; 3 - перед очередным заполнениемРис. 1.43. Кривые распределения температур в массивах вечномерзлых пород, вмещающих выработки-емкости, на разных стадиях заполнения нефтепродуктом:1 - перед первым заполнением; 2 - в период заполнения; 3 - перед очередным заполнениемзаполнении хранилища топливом с положительной температурой радиус теплового влияния продолжает увеличиваться, и повышается температура мерзлых пород, что ведет к потере устойчивости выработок.
Расстояние от контура выработки-емкости в глубь массива пород, м
Расстояние от контура выработки-емкости в глубь массива пород, м
Рис. 1.43. Кривые распределения температур в массивах вечномерзлых пород, вмещающих выработки-емкости, на разных стадиях заполнения нефтепродуктом:
1 - перед первым заполнением; 2 - в период заполнения; 3 - перед очередным заполнением
Рис. 1.43. Кривые распределения температур в массивах вечномерзлых пород, вмещающих выработки-емкости, на разных стадиях заполнения нефтепродуктом:
1 - перед первым заполнением; 2 - в период заполнения; 3 - перед очередным заполнением
Примером частичного использования отработанных выработок для создания подземных хранилищ может служить проект использования стволов угольных шахт Подмосковного угольного бассейна (рис. 1.44).
Рис. 1.44. Схема подземного хранилища, предусматривающая частичное использование выработок угольной шахты (проект):
,2- существующие соответственно ствол и выработки шахты; 3 - пласт угля;
- проектируемая часть ствола; 5 - пласт гипса; 6 - проектируемые выработки-емкости
Здесь на значительной площади ниже отрабатываемого пласта угля залегает пласт практически непроницаемых гипсов. Использование выработок, оставшихся после выемки угля, не представляется возможным в связи с их негерметичностью. Для создания хранилища в пласте гипса требуется углубка существующего ствола угольной шахты на 45 м и строительство выработок-емкостей в толще гипса. Технологическое оборудование хранилища обеспечивает прием, хранение, выдачу и отбор продуктов. Промышленная площадка хранилища располагается на территории шахты. Генеральный план поверхности подземного хранилища решен с учетом использования существующих зданий и сооружений шахты. Большинство наземных зданий и сооружений шахты используется практически без переоборудования: административно-хозяйственный комбинат, котельная, надшахтное здание, склад, подъездные железнодорожные пути, подстанция и т. п. Для обеспечения нормальной эксплуатации хранилища дополнительно потребовалось предусмотреть железнодорожную сливо-наливную эстакаду, здание приточно-вытяжной вентиляции с калориферной установкой, установку углекислотного пожаротушения и здание лаборатории. Даже такое частичное использование горных выработок и наземных зданий и сооружений горнодобывающих предприятий приносит значительный экономический эффект.
Примером создания объекта на базе отработанных выработок с притоком подземных вод может служить одно из наиболее интересных и сложных в техническом отношении решений - переоборудование отработанной железорудной шахты Мэй-Сюр-Орн (Франция) в подземное хранилище дизельного топлива.
Отработанные выработки располагаются в двух крыльях синклинали - северном и южном (рис. 1.45). Размеры отработанного шахтного поля: в северном крыле синклинали длина 3500 м, глубина 350 м (между отметками 10 и 360 м); в южном крыле длина 6000 м, глубина 350 м (между отметками 10 и 360 м). Руда разрабатывалась по камерно-столбовой системе, после которой сохранилась весьма нерегулярная система целиков. Кровля выработок представлена глинистыми сланцами, почва - песчаником. Общий объем отработанных выработок, отведенных под хранилище, около 5 млн м3. Вскрытие осуществлено двумя вертикальными стволами. Шахта переоборудована после детальных исследований, в результате которых установлены удовлетворительная устойчи-
Рис. 1.45. Схема отработки месторождения Мэй-Сюр-Орн (Франция):
1,2- соответственно северное и южное крыло (разрабатываемый пласт); 3 - вспомогательный ствол; 4 - центральный ствол; 5 - разрабатываемый пласт южного крыла
вость выработок, низкая проницаемость вмещающих пород и достаточный гидростатический напор подземных вод.
Устойчивость выработок определяли как путем наблюдения за сдвижениями породы в отдельных местах в шахте, так и по результатам лабораторных испытаний пород с использованием вычислительной техники. Е>ыло установлено, что тектонические напряжения в синклинали обусловливают более высокие горизонтальные напряжения в окружающих породах, чем вертикальные. Эти горизонтальные напряжения распределяются в междукамерных целиках, тогда как столбчатые целики в самих камерах-выработках служат только для предотвращения деформаций их кровли. В основной кровле шахты (20-метровая толща переслаивающихся песчаников и глинистых сланцев) после отбойки руды происходило отслаивание нижних пропластков до полного перераспределения напряжений в массиве вмещающих пород.
Для изучения гидрогеологических условий основного массива, в толще которого пройдены выработки, и проницаемых вышележащих отложений было пробурено 45 скважин, расположенных по сетке во всех частях шахтного поля. Необходимо отметить, что подземное хранилище для жидких продуктов взаимосвязано с гидрогеологическим равновесием целого региона, что требует строгого надзора и контроля за его эксплуатацией.
В результате проведенных исследований были определены и выполнены следующие основные работы по переоборудованию шахт под хранилище: усилены существующие и созданы дополнительные целики, а
Рис. 1.46. Схематический разрез подземного хранилища Мэй- Сюр-Орн:
- максимальный уровень взлива нефтепродукта; 2 - максимальный уровень воды; 3 - минимальный уровень границы раздела воды и нефтепродукта; 4 - перемычки; 5 - граница раздела нефтепродукта и воды, перемещающаяся при заполнении и опорожнении хранилища;
6 - насос для воды; 7 - насос для нефтепродуктов; 8 - граница пласта
также изолированы слабоустойчивые зоны пород в местах вывалов, при этом было уложено 80 тыс. м3 бетона; для предотвращения возможных сдвижений пород в зоне двух крупных вывалов было уложено 120 тыс. м3 бетона на расширяющемся цементе.
С целью длительного сохранения герметичности хранилища и обеспечения стабильности напряжений во вмещающих породах, вызываемых изменяющимся внутренним давлением заливаемого и откачиваемого дизельного топлива, была предусмотрена эксплуатация хранилища на переменной водяной подушке. Относительно постоянный уровень топлива обеспечивается добавлением или откачкой воды (рис. 1.46). При этом способе эксплуатации хранилища требуется количество воды, эквивалентное объему сезонного расхода нефтепродукта.
Предэксплуатационные испытания были проведены сначала в северном крыле шахты, в котором после первичного заполнения части выработок водой провели частичное (1,3 млн м3) замещение воды дизельным топливом и его пробное хранение. Во время этих испытаний контролировали объем воды и дизельного топлива, изменение внутреннего давления (воды и топлива), уровень и плотность топлива, напряжения во вмещающих породах на разных глубинах при различных уровнях топлива и воды, уровень воды в наблюдательных скважинах, физико-химический состав воды с целью определения содержания в ней возможных следов нефтепродукта. Кроме того, анализировали результаты сейсмического контроля.
Рис. 1.47. План участка шахты Мэй-Сюр-Орн:
1 - зона с бессистемным расположением внутрикамерных целиков; 2 - неотработанные участки месторождения
В процессе испытаний было установлено, что управление режимом эксплуатации хранилища существенно усложняется из-за неправильной формы выработок и бессистемного расположения существовавших на шахте перемычек и целиков (рис. 1.47), обусловивших образование различного рода «ловушек» топлива.
Для сохранения максимальной герметичности хранилища при раскрытии трещин во вмещающих породах под действием снижения внутреннего давления в выработках-емкостях при откачке дизельного топлива потребовалось ограничить скорость падения внутреннего давления до минимальной величины 0,001 МПа/сут, установленной экспериментально.
Вопросы для самостоятельной подготовки
В каких географических регионах находят применение шахтные хранилища различного вида?
Какие конструктивные решения и индустриальные методы применяются при строительстве выработок-емкостей большого сечения в Скандинавии?
Укажите, какие параметры выработок характерны для хранилищ, построенных в вечномерзлых породах.
Перечислите, какие мероприятия предусматриваются для сохранения устойчивости и герметичности выработок-емкостей хранилищ в вечномерзлых породах.
Перечислите основные виды работ при переоборудовании отработанных выработок горнодобывающих предприятий в подземные хранилища.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО БЕСШАХТНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ В КАМЕННОЙ СОЛИ
Глава 1
Классификация подземных хранилищ и условия их применения
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 (ПР) в каменной соли может храниться практически вся гамма углеводородных продуктов - природный газ, нефть, этилен, пропилен и др. Перспективно использование подземных резервуаров в каменной соли в качестве технологических аппаратов для подготовки нефти (отстой пластовых вод и сепарация нефтяного газа) и газа (сепарация газового конденсата). Помимо жидких и газообразных углеводородов, ПХ можно также использовать для хранения гелия, азота и других газов, для захороне-
Бестактные подземные хранилищав каменной соли
Хранение жидкостей и газовХранение жидкостей и газовПодготовканефти и газаПодготовканефти и газа|Захоронениеj промышленныхi отходов|Захоронениеj промышленныхi отходов
Хранение жидкостей и газов
Хранение жидкостей и газов
Подготовканефти и газа
Подготовканефти и газа
|Захоронение
j промышленных
i отходов
|Захоронение
j промышленных
i отходов
Нефтянаяпромышлен-ностьНефтянаяпромышлен-ностьГазоваяпромышлен-ностьГазоваяпромышлен-ностьЖидкие продуктыЖидкие продуктыСжиженные углеводородные газыСжиженные углеводородные газыГазообразные продуктыГазообразные продукты
Нефтянаяпромышлен-ность
Нефтянаяпромышлен-ность
Газоваяпромышлен-ность
Газоваяпромышлен-ность
Жидкие продукты
Жидкие продукты
Сжиженные углеводородные газы
Сжиженные углеводородные газы
Газообразные продукты
Газообразные продукты
Рис. 11.1. Классификация подземных хранилищ в каменной соли по назначению и видам хранимых продуктов
ния или депонирования промышленных отходов. Классификация подземных резервуаров в каменной соли по назначению и видам хранимых продуктов приведена на рис. 11.1.
Идея строительства подземных хранилищ углеводородов в каменной соли была впервые сформулирована в период Первой Мировой войны в Германии, однако соответствующая технология разработана только в 40-х гг. в Канаде. В Европе первые подземные хранилища в каменной соли - сначала сжиженного газа, а затем и природного - начали эксплуатироваться в начале 50-х гг. во Франции, Великобритании, Германии и других странах.
В отличие от подземных хранилищ шахтного типа, сооружаемых горнопроходческим способом, бесшахтные подземные резервуары сооружаются методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины. Бесшахтный подземный резервуар состоит из выработки- емкости, используемой для размещения хранимого продукта, и эксплуатационной скважины, оборудованной для закачки и выдачи продукта. Выработка-емкость имеет, как правило, осесимметричную форму и свод-
чатую кровлю, причем осью симметрии является скважина. Выработки- емкости имеют пролет до 80 м, высоту до нескольких сотен метров и вместимость от десятков тысяч до миллиона кубометров. Подземные резервуары могут иметь одну или несколько эксплуатационных скважин, в которых размещаются колонны труб, используемые сначала для сооружения, а затем для эксплуатации резервуаров.
Широкое применение бесшахтных подземных хранилищ в каменной соли обусловлено, в первую очередь, физическими, физико-химическими и химическими свойствами каменной соли как горной породы, вмещающей выработку-емкость. Способность каменной соли к растворению пресной или слабоминерализованной водой делает возможным применение дешевой, безопасной и эффективной скважинной гидротехнологии для сооружения выработки. Извлекаемый при сооружении подземного резервуара концентрированный раствор хлорида натрия является ценным химическим сырьем, практически готовым к утилизации. Химическая инертность каменной соли по отношению к углеводородам в совокупности с отсутствием кислорода и стабильностью температуры и давления обеспечивает сохранение качества товарных углеводородных продуктов. В выработках-емкостях ПХ в каменной соли появившиеся по той или иной причине трещины способны самозалечиваться вследствие вязкопластических деформаций соли, что обеспечивает практическую непроницаемость соляных массивов и герметичность подземных резервуаров. Технология сооружения бесшахтных резервуаров не допускает их крепления, поэтому для обеспечения устойчивости при больших глубинах заложения выработки-емкости эксплуатируются под избыточным давлением, что является достоинством при хранении некоторых углеводородных продуктов. Поэтому подземные хранилища в каменной соли идеально подходят для хранения таких углеводородов, как бутан, пропан, пропилен, и других, которые в термобарических условиях подземного резервуара способны находиться в сжиженном состоянии. Хранение природного и иных газов под высоким давлением обеспечивает высокую эффективность использования геометрического объема выработок-емкостей.
Подземные резервуары в каменной соли сооружаются в соляных залежах всех морфологических типов и различного возраста: от кембрия
Таблица 11.1
Глубины залегания и мощности соляных отложений в странах СНГ
Мощность соляного тела, м
Число месторождений при глубине залегания кровли соли, м
Всего месторождений
<250
251-750
751-1000
>1000
и температуре, °C
7-27
10-31
17-32
18-42
До 30
4
11
5
1
21
31-60
6
14
9
3
32
61-150
0
22
1
1
32
150-300
10
0
2
4
25
Более 300
16
62
23
9
110
до неогена. В табл. 11.1 приведены данные о глубинах залегания и мощностях соляных отложений в странах СНГ.
С точки зрения технологии строительства, большое значение имеют состав соленосных отложений, глубина их залегания и температура пород. Так, серьезные трудности возникают при наличии в разрезе калийных солей, отличающихся высокой скоростью растворения, что имеет место в Печоро-Камском, Предкарпатском и многих других бассейнах. Содержание нерастворимых включений в каменной соли также изменяется в широком диапазоне даже в пределах одного месторождения (например, в том же Печоро-Камском бассейне).
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, на глубинах 300-1400 м. Теоретические расчеты показывают, что максимально возможная глубина заложения подземных резервуаров (сточки зрения обеспечения их устойчивости) не превышает 3000 м. Одним из наиболее важных критериев выбора соляных толщ является минимально допустимая глубина заложения подземных резервуаров Hm.ri, которая определяется по формуле
(Н.1)(Н.1)ц _ Ртах ''min — '
(Н.1)
(Н.1)
Wr
где pmax - максимальное давление (Па) на уровне башмака основной обсадной колонны; yf - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 0,85 - при спокойном или пластово-линзообразном залегании соли, когда надсолевая толща представлена непроницаемыми породами и 0,75 - в остальных случаях; рг - усредненная плотность пород, залегающих выше башмака основной обсадной колонны, кг/м3 (см. формулу (1.1)), С - длина необсаженной части скважины в каменной соли, м.
Длина необсаженной части скважины в зависимости от горно-геологических условий принимается равной от нуля до нескольких десятков метров.
Минимально допустимая мощность Mmin соляной толщи определяется по формуле:
Mmin = ^ + mi+m2 + C- С1'2)
где Н - высота резервуара (оценивается по заданной вместимости резервуара и возможному пролету), м; mv т2- толщина целика соответственно в кровле и в почве выработки-емкости, м.
В общем случае при создании резервуаров малой вместимости, когда их высота не превышает 10 м, минимально допустимая мощность соляной залежи составляет 20 м. При этом минимально допустимые значения толщины целиков т1 и т2 принимаются исходя из условия проницаемости выше- и нижележащих пород и их прочности, а длина необсаженной части С принимается равной нулю.
Температурные критерии пригодности соляных залежей для хранения моторных топлив определены на основании экспериментальных исследований качества продуктов при их длительном хранении в контакте с каменной солью и приведены в табл. II.2. Для нефти, газового конденсата и других продуктов, к составу которых не предъявляется жестких требований, температурных ограничений срока их хранения в ПХ нет.
Важным аспектом при выборе площадок строительства ПХ в каменной соли является наличие источников водоснабжения для подачи воды при создании выработок-емкостей и условий удаления образующегося при строительстве рассола. Для водообеспечения используются слабоминерализованные промстоки или осуществляется водозабор из поверхностных водоемов и водотоков. В некоторых случаях используются подземные воды, в том числе минерализованные.
Таблица 11.2
Температурные критерии пригодности соляных залежей для хранения моторных топлив
Нефтепродукт
Допускаемый срок хранения (лет) при температуре соляных залежей, °C
<25
26-35
36-45
Бензин авиационный
8
-
Бензин автомобильный:
этилированный
15
11
6
неэтилированный
12
9
5
Дизельное топливо
15
11
7
Топливо для реактивных двигателей
12
9
7
Технология создания подземных резервуаров в каменной соли связана с необходимостью утилизации большого количества строительного рассола. При создании 1 м3 геометрического объема выработки-емкости образуется 8-10 м3 рассола. В России, как правило, строительный рассол закачивается в недра, либо используется при заводнении нефтяных и газовых месторождений, если они есть в районе строительства, либо закачивается в глубокие поглощающие водоносные горизонты. Классификация методов утилизации рассола приведена на рис. II.2.
На территории всех соленосных бассейнов выделено около 190 поглощающих водоносных горизонтов, некоторые характеристики которых приведены в табл. II.3.
Поглощающий водоносный горизонт должен обладать упругоемкос- тью, достаточной для приема подлежащего закачке в недра строительного рассола на протяжении всего периода сооружения хранилища.
Для определения радиуса распространения рассола в пласте-коллекторе вокруг скважины R (м), используется формула
R= _y_,(Н-3)
V ^М1
где У - объем закачиваемого рассола, м3; тэф - эффективная мощность водоносного горизонта, м; п - эффективная пористость, доли единицы.
Например, при строительстве Волгоградского ПХГ в качестве коллектора предполагается использовать базальные песчаники нижнего триа-
МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ РАССОЛА
Передача рассоло-потребляющимпредприятиямПередача рассоло-потребляющимпредприятиямВыпарка с получениемпищевой или техническойсолиВыпарка с получениемпищевой или техническойсолиПередача кондиционного рассола (^НаСГ ^00 КГ/М )
Передача рассоло-потребляющимпредприятиям
Передача рассоло-потребляющимпредприятиям
Выпарка с получениемпищевой или техническойсоли
Выпарка с получениемпищевой или техническойсоли
Передача некондиционного рассоладля последующего донасыщения
Выпарка при помощи мобильногоили стационарного оборудования
Закачкав акваторииЗакачкав акваторииЗакачка в моря и соленые озераЗакачка в моря и соленые озераПередача рассоланефтедобывающимпредприятиямПередача рассоланефтедобывающимпредприятиямЗаконтурное заводнение нефтяныхи газовых залежейЗаконтурное заводнение нефтяныхи газовых залежейЗакачка в отработанные горные выработкиЗакачка в отработанные горные выработкиРис. 11.2. Классификация методов утилизации строительных рассоловРис. 11.2. Классификация методов утилизации строительных рассоловЕстественная выпарка (в районахс аридным климатом) в соленыхозерах, котлованах и т.п.
Закачкав акватории
Закачкав акватории
Закачка в моря и соленые озера
Закачка в моря и соленые озера
Передача рассоланефтедобывающимпредприятиям
Передача рассоланефтедобывающимпредприятиям
Законтурное заводнение нефтяныхи газовых залежей
Законтурное заводнение нефтяныхи газовых залежей
Закачка в отработанные горные выработки
Закачка в отработанные горные выработки
Рис. 11.2. Классификация методов утилизации строительных рассолов
Рис. 11.2. Классификация методов утилизации строительных рассолов
Таблица 11.3
Характеристики поглощающих водоносных горизонтов
Глубина залегания, м
Число поглощающих горизонтов при проницаемости k, 10'*5 м2
Всего горизонтов
10-25
26-50
>50
Около 50
3
13
8
24
501-750
8
7
39
54
751-1000
—
17
28
45
1001-1500
1
10
32
43
1501-2000
-
2
10
12
Более 2000
1
4
9
14
са, залегающие на глубине около 1000 м. Их эффективная мощность составляет 10 м, а эффективная пористость - 0,25.
При планируемом объеме закачки рассола 23,6 млн м3 расчетный радиус вытеснения пластовых вод рассолом составляет 1226 м.
Общая минерализация воды поглощающего горизонта должна быть, как правило, не менее 35 г/л. Критерий определен по экологическим требованиям, поскольку сброс строительного рассола допускается в поглощающие горизонты с водами, непригодными для использования в народном хозяйстве. Величина 35 г/л - граничное значение при переходе минерализованных вод в рассолы, которые, как правило, залегают в зоне застойных вод и не используются в народном хозяйстве, за исключением отдельных случаев, когда они являются бальнеологическими или содержат ценные компоненты, извлекаемые как полезное ископаемое.
Подземные хранилища включают в себя наземный комплекс, обеспечивающий закачку в подземный резервуар хранимого продукта и выдачу его на поверхность, и подземный комплекс, состоящий из подземных резервуаров, других подземных сооружений и скважин различного назначения. Состав сооружений наземного комплекса зависит от вида хранимого продукта и схемы эксплуатации. Существуют различные схемы эксплуатации подземных резервуаров, классификация которых приведена на рис. II.3. Наиболее распространены рассольная (рис. II.4) и безрассольная (рис. II.5) схемы. Одна из разновидностей безрассольных схем используется, например, на подзем-
СХЕМА ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ В КАМЕННОЙ СОЛИ
(Рассольная |(Рассольная ||Безрассольная||Безрассольная|С наземным расположением:рассолохранилищаIС подземным расположениемiрассолохранилища:Использование морской(воды для вытеснения —1 продукта iИспользованиеминерали- ; зованных подземных вод —i для вытеснения продуктаiI В кооперации с рассоло-!I промысломС наземным расположением:рассолохранилищаIС подземным расположениемiрассолохранилища:Использование морской(воды для вытеснения —1 продукта iИспользованиеминерали- ; зованных подземных вод —i для вытеснения продуктаiI В кооперации с рассоло-!I промысломОтбор хранимогопродукта сжатым газомОтбор хранимогопродукта сжатым газомС постояннымдавлениемв резервуареС постояннымдавлениемв резервуареСжатый газподается измагистральногогазопроводаСжатый газ подается от компрессорной станции i С фазовым | превращением I вытесняющего веществаСжатый газподается измагистральногогазопроводаСжатый газ подается от компрессорной станции i С фазовым | превращением I вытесняющего вещества(Комбинированная |(Комбинированная |
(Рассольная |
(Рассольная |
|Безрассольная|
|Безрассольная|
С наземным расположением:
рассолохранилищаI
С подземным расположениемi
рассолохранилища:
Использование морской(
воды для вытеснения —1 продукта i
Использованиеминерали- ; зованных подземных вод —i для вытеснения продуктаi
I В кооперации с рассоло-!
I промыслом
С наземным расположением:
рассолохранилищаI
С подземным расположениемi
рассолохранилища:
Использование морской(
воды для вытеснения —1 продукта i
Использованиеминерали- ; зованных подземных вод —i для вытеснения продуктаi
I В кооперации с рассоло-!
I промыслом
Отбор хранимогопродукта сжатым газом
Отбор хранимогопродукта сжатым газом
С постояннымдавлениемв резервуаре
С постояннымдавлениемв резервуаре
Сжатый газподается измагистральногогазопровода
Сжатый газ подается от компрессорной станции i С фазовым | превращением I вытесняющего вещества
Сжатый газподается измагистральногогазопровода
Сжатый газ подается от компрессорной станции i С фазовым | превращением I вытесняющего вещества
(Комбинированная |
(Комбинированная |
Раздел IIРаздел II
Раздел II
Раздел II
Рис. 11.3. Схема эксплуатации подземных хранилищ в каменной соли
Рис. 11.4. Технологическая схема рассольной эксплуатации подземного хранилища в отложениях каменной соли:
1 - выработка-емкость; 2 - обсадная колонна; 3 - центральная колонна; 4 - рассолопровод; 5 - продуктопровод; 6 - насос для перекачки рассола; 7 - рассолохранилище; 8 - насос для перекачки продукта; 9 - буферный резервуар для нефтепродукта; 10 - скважина для закачки рассола в недра
ных хранилищах газа (ПХГ), когда резервуары эксплуатируются как сухие газгольдеры (рис. II.6).
Рассольная схема предполагает залив и отбор жидких (сжиженных) продуктов по принципу вытеснения оперативным рассолом продукта при отборе и выдавливания продуктом рассола при заполнении резервуара. При хранении этилена, а также в некоторых случаях при хранении природного газа также используется рассольная схема.
Благодаря применению рассольной схемы при хранении нефтепродуктов в резервуаре отсутствует газовая фаза, поэтому нет их потерь от «больших» и «малых» дыханий и замедлена коррозия металлических элементов резервуара. Это является несомненным преимуществом такой схемы эксплуатации, так как она обеспечивает минимизацию плановых потерь нефтепродуктов и охрану окружающей среды.
Для обеспечения подземного хранилища оперативным рассолом используются, как правило, наземные и подземные рассолохранилища. Можно также использовать другие источники: близкорасположенные
Рис. 11.5. Технологическая схема эксплуатации подземного хранилища в отложениях каменной соли при вытеснении продукта газом:
1 - подземный резервуар; 2 - обсадная труба; 3 - центральная колонна; 4 - газосборник; 5 - компрессор; 6 - воздушный теплообменник; 7 - ресивер; 8 - водяной теплообменник; 9 - газо- теплообменник
Рис. 11.6. Принципиальная технологическая схема эксплуатации подземного хранилища газа в каменной соли:
7 - подземный резервуар; 2-узел дросселирования газа; 3 - газовый шлейф; 4 - холодильник газа;
5 - компрессорная станция; б - узел замера расхода газа; 7 - фильтр-сепаратор; 8 - пылеуловитель; 9 -- магистральный газопровод; 10- установка регенерации абсорбента; 11 - абсорбер; 72 - узел подогрева газа; 73 - сепаратор; 14 - эксплуатационная скважина
рассолопроизводящие предприятия, природные рассолы неглубокого залегания с концентрацией, близкой к насыщению и т. п.
При эксплуатации подземных резервуаров можно применять принцип дополнительного растворения, при котором жидкий или газообразный продукт выдавливается недонасыщенным рассолом или водой, в результате чего стенка выработки-емкости «подрастворяется», а объем выработки увеличивается. Разработаны и апробированы методы эксплуатации подземных резервуаров с «подрастворением», использование которых позволяет ускорить сроки ввода резервуаров, упростить схему оперативного рассолоснабжения, увеличивать вместимость резервуарного парка по мере необходимости и, в то же время, корректировать форму резервуаров при эксплуатации. Пресную воду можно также использовать для аварийного вытеснения нефтепродуктов из подземных резервуаров.
Скважины подземных резервуаров в период эксплуатации, помимо колонны обсадных труб, оборудуются подвесными колоннами труб для закачки (выдачи) рассола при рассольной схеме эксплуатации. При без- рассольной эксплуатации подземных хранилищ сжатых газов подвесная колонна не нужна.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Дайте характеристику бесшахтных подземных резервуаров и назовите их основные элементы.
Определите область применения подземных хранилищ в каменной соли.
Какие свойства каменной соли обусловили широкое применение бесшахтных резервуаров для хранения различных жидкостей и газов и захоронения промышленных отходов?
Дайте общую характеристику горно-геологических условий, определяющих возможность создания бесшахтных резервуаров в каменной соли.
Укажите существующие ограничения по срокам хранения различных продуктов в подземных резервуарах.
Опишите способы утилизации рассолов, образующихся при сооружении подземных резервуаров, и охарактеризуйте условия их применения.
Охарактеризуйте отличительные черты и достоинства рассольной схемы эксплуатации подземных хранилищ.
Глава 2
Проектирование и строительство подземных хранилищ в каменной соли
Объемно-планировочные схемы
П ри проектировании подземных хранилищ в каменной соли основными технологическими параметрами, определяющими их объемно-планировочные схемы, являются: назначение резервуарного парка, номенклатура хранимых продуктов, требуемая вместимость, диапазон изменения эксплуатационного давления в подземных резервуарах, производительности закачки и выдачи хранимых продуктов, схема эксплуатации, возможные производительности систем водоснабжения и утилизации рассола.
Основными горно-геологическими факторами, влияющими на выбор проектных решений, являются: мощность интервала каменной соли, в котором возможно сооружение подземных резервуаров, глубина расположения соляного тела и связанное с глубиной его напряженно-деформированное состояние, тип соляной структуры, а также ее неоднородность и анизотропия, химический состав солей в интервале заложения подземных резервуаров, наличие пропластков нерастворимых пород и рассеянных нерастворимых включений, наличие проницаемых или ослабленных зон выше и ниже интервала заложения ПР. Значимым может также оказаться наличие соседних горнодобывающих предприятий и наземных объектов или сооружений в пределах зоны влияния подземного комплекса ПХ.
Назначение подземного хранилища и номенклатура хранимых продуктов сказываются следующим образом: при использовании хранилища для пикового, аварийного или стратегического резервирования принимается не менее двух резервуаров для одного продукта. При использовании ПХ в технологическом цикле совместно с наземными резервуарами допускается один резервуар для каждого продукта.
Вместимость единичного резервуара тесно связана с горно-геологическими условиями. По соображениям удешевления хранилища целесообразно сооружать ПР максимального единичного объема. В то же вре-
мя, размеры выработки-емкости ограничиваются предельным пролетом, определяемым на основании расчета ее устойчивости с учетом диапазона изменений эксплуатационного давления в резервуаре. Кроме того, геометрические размеры выработок-емкостей ограничиваются необходимостью наличия целиков в кровле и почве, а также между соседними резервуарами.
Производительности закачки и выдачи хранимого продукта влияют на диаметр обсадных и подвесных колонн эксплуатационных скважин; в некоторых случаях для обеспечения высоких темпов закачки (отбора) требуется сооружение двух или даже трех скважин на один резервуар. При этом следует учитывать, что возможна одновременная закачка или выдача из нескольких резервуаров.
Производительности подачи воды и утилизации рассола ограничивают темпы растворения соли и, соответственно, темпы прироста объема выработки; при высоких производительностях возможно одновременное создание группы резервуаров.
Чем больше мощность соляного тела, тем большую вместимость могут иметь единичные подземные резервуары. При большой мощности возможно многоярусное расположение резервуаров, а также сооружение на одной скважине двух резервуаров гирляндного типа.
При увеличении глубины заложения растут нагрузки на массив соли в окрестности подземных резервуаров. С их увеличением для поддержания устойчивости резервуара следует уменьшить пролет выработки-емкости или увеличить минимальное эксплуатационное давление в резервуаре.
Тип соляной структуры и связанные с этим неоднородность и анизотропия проявляются следующим образом. При пластовом залегании каменная соль и вышележащие породы характеризуются спокойным залеганием и практически изотропны в горизонтальной плоскости. При расположении резервуаров в соляных куполах, штоках и подобных структурах существенно проявляется неоднородность и анизотропия массива. Вследствие этого при расчетах следует увеличить коэффициент запаса на асимметричность выработки-емкости при определении минимального расстояния между подземными резервуарами, а также уменьшить коэффициент надежности по нагрузке при определении максимально допустимого давления в резервуаре.
Химический состав каменной соли имеет существенное значение при передаче рассола в качестве химического сырья для переработки. Для получения рассола требуемого состава может возникнуть необходимость послойного растворения соли таким образом, чтобы состав получаемого кондиционного рассола не выходил за допустимые пределы.
Наличие пропластков нерастворимых пород в интервале заложения подземных резервуаров может существенно осложнить процесс их сооружения и последующую эксплуатацию. Для предотвращения негативного влияния пропластков (осложнение при растворении соли в процессе строительства и обрушение их при эксплуатации) необходимо предусматривать специальные мероприятия по их разупрочнению и обрушению в процессе строительства.
Наличие нерастворимых включений, выпадающих на дно выработки- емкости во время ее сооружения, приводит к потере полезной вместимости резервуара и увеличению капитальных вложений. В то же время, при выносе большого количества тонких фракций нерастворимых включений рассолом возникает проблема его очистки, которая особенно актуальна при необходимости захоронения строительного рассола.
Проницаемые пропластки и ослабленные зоны в кровле и подошве соляного тела требуют наличия целиков, необходимых для обеспечения устойчивости и герметичности подземных резервуаров.
Следовательно, при проектировании подземных хранилищ необходимо одновременно учитывать совокупность технологических и горно-геологических факторов.
Разработку схем размещения подземных резервуаров в соляном массиве следует начинать с определения минимальной глубины заложения подземных резервуаров по формуле (11.1).
Затем следует определить необходимую толщину целиков и выделить интервал заложения резервуаров с учетом наличия нерастворимых пропластков, рассеянных включений, пропластков калийных солей и т. п. При большой мощности и сложном строении толщи каменной соли следует учитывать различные технически возможные интервалы заложения.
Взаимное расположение подземных резервуаров зависит, в основном, от размеров и формы соляного тела. Принципиальные объемно-планировочные схемы подземных хранилищ приведены на рис. II.7, II. 8. Вертикальные ПР располагаются на одном уровне, как правило, в условиях
Рис. 11.7. Принципиальные объемно-планировочные схемы бесшахтных резервуаров в каменной соли:
а - вертикальная на одном уровне; б - вертикальная на различных уровнях; в - двухъярусная на одной вертикальной скважине; г - тоннельная
Рис. 11.8. План расположения выработок-емкостей по треугольной (а), ромбической (б) и квадратной (в) сеткеРис. 11.8. План расположения выработок-емкостей по треугольной (а), ромбической (б) и квадратной (в) сетке
Рис. 11.8. План расположения выработок-емкостей по треугольной (а), ромбической (б) и квадратной (в) сетке
Рис. 11.8. План расположения выработок-емкостей по треугольной (а), ромбической (б) и квадратной (в) сетке
пластового залегания каменной соли. Расположение резервуаров наразных уровнях обычно применяется в соляных куполах и других струк-турах большой мощности. Такое расположение резервуаров позволяетсделать ПХ более компактным, сократить земельный отвод и учесть ин-дивидуальные требования по эксплуатационному давлению для различ-ных продуктов. Двухъярусное расположение на одной вертикальной сква-жине может быть применено при большой мощности соляного тела или
Таблица 11.4
Значения к, учитывающего возможную асимметричность формы выработки- емкости
Морфологический тип месторождения
Значение коэффициента к при схеме растворения
сверху вниз
снизу вверх
комбинированной и иной
Пластовый и пластоволинзообразный
0,2
0,7
0,4
Куполо- и штокообразный
0,5
1,5
1
при наличии в разрезе двух соляных пластов, разделенных нерастворимыми породами. При этом нижняя выработка-емкость может быть использована для хранения жидких углеводородов или сжиженного газа, а верхняя - в качестве рассолохранилища. В таком случае вытеснение хранимого продукта производится перепуском рассола под действием собственного веса в нижнюю выработку. Выработки-емкости тоннельного типа могут быть применены на маломощных пластах каменной соли, когда выработка-емкость вертикального типа может иметь лишь малую вместимость, что резко ухудшает технико-экономические показатели ПХ.
Расположение выработок-емкостей в плане (см. рис. 11.8) осуществляется исходя из местных условий, удобства прокладки коммуникаций и т. п. При этом обязательно наличие барьерных целиков между ПР и соседними горнодобывающими предприятиями, а также целиков между подземными резервуарами.
Расстояние между устьями соседних эксплуатационных скважин а (м) следует определять по формуле
a = 2ad + г(4 + п + к), (11.4)
где ad - допустимое отклонение оси скважины от вертикали на отметке кровли выработки-емкости, м; г - радиус выработки-емкости резервуара* м; п - коэффициент, учитывающий погрешности формообразования в зависимости от принятой технологической схемы строительства, принимаемый равным для схемы растворения соли: сверху вниз -0,1; снизу вверх - 0,5; для комбинированных и иных схем - 0,2; к - коэффициент,
1 Если соседние выработки-емкости имеют разные размеры, то значение г в формуле (11.4) принимается равным наибольшему радиусу.
учитывающий возможную асимметричность формы выработки-емкости по геологическим условиям, определяемым по табл. 11.4.
В мощных соляных залежах расстояние между устьями скважин допускается уменьшать за счет двух- или многоярусного расположения выработок-емкостей. При этом величина целика между соседними выработками-емкостями по кратчайшему расстоянию между стенками должна соответствовать требованиям формулы (11.4), а расстояние от стенки выработки-емкости до соседних скважин должно быть не менее 50 м.
При необходимости вытеснения продукта из подземного резервуара ненасыщенным рассолом или водой следует рассчитать увеличение объема выработки-емкости в процессе эксплуатации и определить ее конечную конфигурацию. Значение г в формуле (11.4) принимается в соответствии с конечной конфигурацией. Увеличение объема выработки- емкости должно быть запланировано на стадии проектирования в соответствии с потребностями в расширении объема хранения.
При выборе формы, размеров, числа подземных резервуаров и разработке объемно-планировочной схемы подземного хранилища приходится удовлетворять различным, в том числе и взаимно-противо- речащим требованиям (например, требование оставления необсажен- ного участка скважины и создания сводчатой кровли для обеспечения устойчивости выработки-емкости противоречит требованию максимального увеличения ее вместимости для обеспечения наилучших технико-экономических показателей). Поэтому при разработке объемнопланировочных схем ПХ рассматривается, как правило, возможное число вариантов для выбора оптимального, с учетом всех влияющих факторов, решения.
Оценка длительной устойчивости выработок- емкостей в породных массивах, проявляющих реологические свойства
Для оценки длительной устойчивости подземных выработок-емкостей разработана единая методика расчета применительно к массивам пород, проявляющих реологические свойства (таких, например, как каменная соль или вечномерзлые породы), вне зависимости от количественных показателей ползучести.
Бесшахтные резервуары в каменной соли
Важнейшим этапом проектирования ПР в каменной соли является определение допустимого пролета выработки-емкости с учетом эксплуатационного давления, глубины заложения и ее предполагаемой проектной формы. Наибольшую устойчивость имеют осесимметричные выработки со сводчатой кровлей с соотношением высоты к пролету больше единицы.
Минимальное и максимальное эксплуатационные давления в выработке-емкости при рассольной схеме эксплуатации принимаются в соответствии с высотой столба рассола с учетом возможного изменения его плотности, а также гидравлических потерь. Для ПХГ максимальное эксплуатационное давление должно соответствовать также техническим характеристикам компрессорного оборудования. Максимально допустимое давление ртах на уровне башмака обсадной колонны определяется по формуле
(И.5)(И.5)Р^Р^Н-СУ
(И.5)
(И.5)
где Н^- расстояние от поверхности земли до кровли выработки, м; С - длина необсаженного участка скважины, м.
Минимально допустимое давление pmin на уровне кровли выработки-емкости, создаваемое в резервуаре продуктом, определяется по формуле
u 2 с + 1
(И.6)(И.6)Pmin = PrgHK -о, ,
(И.6)
(И.6)
V3 с
где с и о” - параметры уравнения состояния каменной соли, принимаемого в виде:
/\С-1
(II.7)(П8)(II.7)(П8)О/ = с е; i-l 11
(II.7)
(П8)
(II.7)
(П8)
О, с-1 Е, С^е/ J
где о, = -^ 75г-^2)2 + (°2 - Оз)2 + (о3 - oj2 ;
ov = Oi + o2 + o3;
ev = ei + е2 + е3;
1
c =
1-2^(1+v).
В формулах (II.7) и (II.8): о,- интенсивность касательных напряжений, Па; g] - интенсивность касательных напряжений, соответствующая пределу длительной прочности при заданной сумме главных напряжений о ,, Па; е. - интенсивность деформации сдвига; е” - интенсивность деформации сдвига при о. = а“ и бесконечно большом значении времени; Е - модуль деформации, Па; v - коэффициент Пуассона; ev - объемная деформация; о^ о2, о3 - главные напряжения, Па; е^ е2, е3 - главные деформации.
Параметры уравнений (II.7) и (II.8) о”, е" , Е, v определяются путем обработки результатов длительных испытаний образцов каменной соли, отобранных в интервале предполагаемой кровли выработки- емкости, при всестороннем неравнокомпонентном сжатии в условиях ползучести для постоянной суммы главных напряжений, вычисляемой по формуле:
о =2prgH.
Параметр е” определяется по формуле:
<5;
где е', - интенсивность деформации сдвига при разрушении образца для о; = с', и времени нагружения более 100 ч.
Пролет выработки-емкости на уровне кровли / (м) определяется по формуле
(11.9)(11.9)/ = 3 _3dHL °i
(11.9)
(11.9)
\ а ^ргдН-рэ^
где Vadm - допустимый объем области запредельного деформирования (ОЗД) в окрестности кровли (м3), где значение е. превысило е~ ; рэ - минимальное эксплуатационное давление на уровне кровли выработки-емкости, Па; а, и/- безразмерные параметры, которые для цилиндрических резервуаров с отношением высоты к пролету около единицы составляют: а =22,3 ■ 10'5; w =4,63.
На основании опыта эксплуатации бесшахтных резервуаров рекомендуется принимать Vadm = 700 м3.
Например, для подземных резервуаров в каменной соли при глубине заложения 1300 м, плотности вышележащих пород рг = 2300 кг/м3, о“ = 10,4 МПа и с « 1 минимальное противодавление ра« 25 МПа и соответствующий ему максимальный пролет на уровне кровли / = 40,2 м.
Для оценки длительной устойчивости выработки-емкости бесшах- тного резервуара в породном массиве выделяется зона ее влияния, для которой строится геомеханическая модель. Элементами модели являются фрагменты массива, выделенные по характерным для них литологическим признакам. Для каждого элемента определяются параметры уравнения состояния. Методами механики сплошных сред рассчитывается напряженно-деформированное состояние в окрестности выработки-емкости заданной формы при пролете кровли /, минимальном эксплуатационном давлении ра, параметрах уравнения состояния пород (II.7), (II.8).
Длительная устойчивость выработки-емкости будет обеспечена на весь период эксплуатации, если выполнены следующие условия (критерии устойчивости):
Не вся поверхность выработки принадлежит ОЗД;
Объем ОЗД в кровле не превышает I/ dm;
Максимальный размер ОЗД в кровле в направлении, нормальном к поверхности выработки-емкости, не превышает 0,04I;
Растягивающие напряжения в породном массиве не превышают прочности породы при растяжении.
Взаимовлияние выработок-емкостей не учитывается при оценке их устойчивости, если выполняется условие
Ь>/ + /1 + /2,(11.10)
где b - кратчайшее расстояние между контурами соседних выработок- емкостей, м; /- максимальный пролет соседних выработок-емкостей, м; /г /2 - наибольший размер ОЗД в глубь целика по нормали к поверхности для каждой из двух соседних выработок-емкостей соответственно, м.
Если критерии устойчивости не выполняются, то минимальное эксплуатационное давление увеличивается и расчет повторяется.
Шахтные резервуары в вечномерзлых породах
Мерзлые породы так же, как и каменная соль, проявляют реологические свойства. Для оценки длительной устойчивости системы горизонтальных протяженных выработок с пролетом /, высотой h, целиком Ь, кровля которых располагается на глубине Н от поверхности земли, используются уравнения состояния мерзлых пород в виде (II.7) и (II.8). Методами механики сплошных сред определяется напряженно-деформированное состояние породного массива в окрестности выработки-емкости шахтного резервуара. Устойчивость выработки-емкости будет обеспечена, если выполняются следующие условия:
Не вся поверхность выработки принадлежит ОЗД;
Максимальный размер ОЗД в кровле в направлении, нормальном к поверхности выработки, не превышает 0,03 /;
Растягивающие напряжения в породном массиве не превышают прочности породы при растяжении;
Максимальное опускание кровли не превышает 0,0175I.
Определение вместимости подземных резервуаров
После определения допустимого пролета и формы выработки-емкости вычисляется проектная вместимость подземного резервуара. При
определении вместимости следует учитывать, что полезный объем выработки-емкости меньше геометрического объема отрабатываемого массива каменной соли вследствие выпадения нерастворимых включений и наличия неизвлекаемого остатка строительного рассола. Кроме того, при рассольной эксплуатации, помимо наличия буферного остатка рассола в выработке-емкости, возможно расширение хранимого продукта при повышении его температуры или понижении давления. При определении вместимости подземных резервуаров ПХГ следует учитывать максимальное и минимальное эксплуатационные давления, так как активный объем газа определяется их разностью.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Перечислите основные факторы, определяющие выбор объемнопланировочных схем подземных хранилищ.
Укажите, какие факторы влияют на вместимость и полезный объем единичного подземного резервуара.
Укажите, каким образом сказываются тип и условия залегания соляной залежи на параметрах выработок-емкостей.
Укажите критерии, определяющие расстояния между соседними выработками-емкостями и скважинами при многоярусном расположении.
Опишите, какое влияние на параметры объемно-планировочной схемы оказывает применение рассольной схемы эксплуатации с использованием ненасыщенного рассола.
Опишите порядок разработки объемно-планировочной схемы подземного хранилища.
Укажите параметры, влияющие на максимально и минимально допустимые давления в подземном резервуаре.
Опишите порядок расчета устойчивости выработок-емкостей в породах, проявляющих реологические свойства.
Перечислите критерии устойчивости выработок-емкостей в каменной соли.
Перечислите критерии устойчивости выработок-емкостей в вечномерзлых породах.
Глава 3
Техннпигия сирошпепьсива выработок-емкостей
§ 1. Бурение и оборудование эксплуатационных скважин
Сооружение выработок-емкостей и последующая эксплуатация подземных резервуаров осуществляются через эксплуатационные скважины. Эти скважины бурят обычными методами с применением оборудования, используемого при бурении нефтяных и газовых скважин.
Конструкция эксплуатационной скважины должна выбираться исходя из конкретных горно-геологических условий и обеспечивать:
условия безопасного ведения работ на всех этапах строительства и эксплуатации резервуара;
условия охраны недр и окружающей среды, прочность и долговечность скважины;
требуемые производительности по закачке и выдаче продукта при эксплуатации;
размещение в скважине требуемого для обеспечения эксплуатации резервуара оборудования.
Типичная конструкция скважины подземного резервуара приведена на рис. II.9.
Направление служит для перекрытия слоя рыхлых отложений вблизи от поверхности земли, чтобы избежать их размыва и образования грифонов при последующем бурении. Кондуктор предназначен для перекрытия пресных вод питьевых горизонтов, чтобы избежать их загрязнения при разбуривании соленосной толщи. Можно использовать несколько кондукторов (или промежуточных обсадных колонн) для последовательного перекрытия интервалов с несовместимыми условиями бурения.
Основная обсадная колонна обеспечивает герметичность подземного резервуара. Башмак обсадной колонны, как правило, должен заглубляться в толщу каменной соли. В случае залегания над солью непроницаемых пород башмак обсадной колонны может быть расположен вне толщи каменной соли. Направление, кондуктор и основная обсадная колонна цементируются на всю высоту. Состав цемента подбирается таким образом, чтобы обеспечить коррозионную стойкость цементного
Неустойчивые породыНеустойчивые породыВодоносные горизонтыВодоносные горизонтыНеустойчивые глинистые породы
Неустойчивые породы
Неустойчивые породы
Водоносные горизонты
Водоносные горизонты
Каменная сольКаменная сольРис. 11.9. Конструкция скважины, подготовленной к сооружению бесшахтного резервуара:
Каменная соль
Каменная соль
- направление; 2 - кондуктор; 3 - основная обсадная колонна; 4 - цементный камень; 5 - необса- женная часть скважины; 6 - внешняя подвесная колонна; 7 - центральная подвесная колонна; 8 - термокарманы; 9 - пробоотборные краны
камня в среде пластовых вод. При цементировании участка обсадной колонны, заглубляемого в толщу каменной соли, как правило, применяется портландцементный тампонажный раствор, затворенный на концентрированном растворе хлористого натрия.
После цементирования скважина разбуривается ниже башмака обсадной колонны на весь интервал, в котором возможно сооружение подземного резервуара. В процессе бурения скважины проводятся необходимые геофизические работы:
для контроля за состоянием ствола скважины и качеством ее крепления - инклинометрия, кавернометрия, акустическая цементометрия (АЦК), термометрическая отбивка цементного камня (ОЦК), отбивка местоположения муфт, центрирующих фонарей и башмака электромагнитным локатором муфт;
для уточнения геологического строения породного массива, а также интервала заложения выработки-емкости - нейтронный каротаж, гамма- гамма-каротаж, гамма-плотностной каротаж и т. д.
Для уточнения разреза и интервала заложения выработок-емкостей из соленосной толщи и пород выше предполагаемого интервала заложения отбирается керн, используемый для определения физико-механических и реологических свойств пород.
При проводке эксплуатационных скважин особые требования предъявляются к их герметичности и вертикальности. Отклонение оси скважины от вертикали не должно выходить за пределы конуса средних отклонений, образующая которого составляет угол в один градус с вертикалью, проходящей через устье скважины. Значительное отклонение от вертикали может привести к развитию асимметрии выработок-емкостей и уменьшению размеров целиков по отношению к проектным, т. е. к снижению устойчивости резервуаров, а также к ряду осложнений в процессе строительства.
Повышенные требования к герметичности скважин и подземных резервуаров обусловлены необходимостью их надежности и минимизации воздействия на окружающую среду в течение всего срока службы.
Пропускная способность скважин определяется их диаметром. В отечественной и зарубежной практике используются обсадные колонны диаметром от 194 до 508 мм. Компоновка скважины на начало сооружения гидровруба приведена на рис. II.9.
2. Технологические схемы строительства подземных резервуаров в каменной соли
Технологические схемы строительства выработок-емкостей основаны на принципе циркуляционного воздействия воды на растворяемую поверхность соли. Определяющим фактором интенсивности процесса мас- сообмена в выработке в период ее строительства является коэффици-
ент скорости растворения каменной соли. Его величина зависит от физико-химических свойств растворяемого вещества (коэффициента диффузии), свойств растворителя (вязкости, температуры, концентрационного напора), скорости движения растворителя (производительности его подачи и скорости движения вследствие естественной и вынужденной конвекции) и геометрии растворяемой поверхности. Одним из важных факторов, влияющих на скорость растворения соли, является угол наклона растворяющейся поверхности к горизонту. В частности, горизонтальная потолочина выработки растворяется значительно быстрее, чем боковые стенки. В реальных условиях концентрация жидкости неодинакова по высоте и максимальна в нижней части выработки. При неконтролируемом растворении выработка может приобрести форму усеченного конуса с развитой потолочиной, неустойчивой к проявлениям горного давления при определенной площади ее обнажения.
Для создания выработки-емкости заданной формы и размеров процессом растворения управляют путем закачки в нее нерастворителя в сочетании с различными вариантами расположения по высоте уровней ввода воды и отбора рассола. Нерастворитель служит для изоляции потолочины и других участков поверхности каменной соли в верней части выработки, растворение которых на данном этапе сооружения нежелательно. В качестве нерастворителя используются газы или жидкости с меньшим, чем у воды, удельным весом, инертные по отношению к каменной соли, практически не растворимые в воде, стоимость которых относительно невелика. В качестве жидкого нерастворителя обычно используются нефтепродукты, а газообразного - воздух, природный или инертный газ. Растворяемая поверхность соли ниже уровня нерастворителя называется активной поверхностью. Часть выработки-емкости, которая расположена ниже башмака центральной подвесной колонны, заполнена насыщенным рассолом. Она практически не участвует в массообменных процессах и называется зоной консервации.
Существуют два основных режима подачи растворителя в скважину, прямоточный, когда растворитель (вода) подается по центральной подвесной колонне труб, а рассол отбирается по межтрубному пространству внешней и центральной подвесных колонн, и противоточный, когда вода подается в скважины по межтрубному пространству внешней и центральной подвесных колонн, а рассол отбирается по центральной колонне.
Прямоточный режим (рис. 11.10, а) способствует максимальному принудительному перемешиванию жидкости в выработке. При его использовании рост выработки по высоте наиболее равномерен. Недостатком прямоточного режима является невысокая концентрация выдаваемого из выработки рассола.
Противоточный режим (рис. 11.10, б) эффективен для выноса из выработки рассеянных нерастворимых включений. Его применение обеспечивает получение рассола максимальной концентрации. Недостатком этого режима является увеличенное растворение верхней части выработки.
Режим «сближенный противоток» (рис. 11.10, в) представляет собой противоток с подачей растворителя в нижнюю часть создаваемого интервала выработки, невысоко над башмаком центральной подвесной колонны. Применение сближенного противотока сочетает в себе досто-
Рис. 11.10. Основные технологические режимы подачи растворителя:
а - прямоточный; б - противоточный; в - сближенный противоток; 1 - обсадная колонна; 2 - внешняя подвесная колонна труб; 3 - центральная подвесная колонна труб; 4 - выработка-емкость; 5 - нерастворитель
Рис. 11.11. Схема сооружения подземной выработки-емкости ступенями (/-///) снизу вверх (послойная технология):
1 - обсадная колонна; 2 - внешняя подвесная колонна; 3 - центральная подвесная колонна
инства двух других режимов и позволяет получать концентрированный рассол при равномерном развитии выработки по высоте.
Освоены следующие технологии создания подземных резервуаров.
Послойная (рис. 11.11), применяемая обычно при ограниченной мощности пласта и для получения рассола высокой концентрации. Растворение массива каменной соли осуществляется снизу вверх при подаче воды в зону кровли выработки и противотоковом отборе рассола в ее нижней части с перемещением внешней рабочей колонны на каждом этапе. При наличии мощной толщи каменной соли используют сближенный противоток.
С накоплением нерастворителя (рис. 11.12), используемая при сооружении резервуаров в пластах каменной соли различной мощности. Растворение каменной соли осуществляется сверху вниз без перемещения внешней рабочей колонны на сближенном противотоке с постепенным накоплением нерастворителя в верхней части выработ-
Рис. 11.12. Схема сооружения подземной выработки-емкости с накоплением нерастворителя по методу "сверху вниз" а - первый этап: создание первоначальной прямоточной выработки в чистой соли (в загрязненной предусматривается создание гидровруба); б - второй этап: I, II - соответственно ступенчатая и бесступенчатая подкачка нерастворителя; 1 - обсадная колонна труб; 2 - внешняя колонна труб; 3 - центральная колонна труб; 4 - проектный контур; 5 - ступень; 6 - нерастворитель
ааки-емкости. Технология позволяет формировать потолочину выработки заданной формы.
а
а
Комбинированная (рис. 11.13) - нижняя часть выработки создается по послойной технологии, а верхняя - по технологии с накоплением нерастворителя. Эта технология позволяет надежно формировать выработку-емкость проектных размеров и получать высококонцентрированный рассол.
С применением энергии затопленных струй - разновидность прямоточного режима, когда растворитель подается в выработку при помощи специальных насадок, формирующих струи заданной геометрии и обеспечивающих турбулизацию потока жидкости в нижней части выработки. Технология позволяет сократить сроки строительства, количество нерастворителя и число операций спуска-подъема рабочих колонн. Применяется при сооружении выработок-емкостей сравнительно небольшого объема.
Рис. 11.13. Схема комбинированного метода сооружения подземной выработки - емкости:I-V - ступени; 1 - обсадная колонна труб; 2 - внешняя подвесная колонна труб; 3 - центральная подвесная колонна труб;4 - контур проектной выработки-емкости; 5 - нерастворительРис. 11.13. Схема комбинированного метода сооружения подземной выработки - емкости:I-V - ступени; 1 - обсадная колонна труб; 2 - внешняя подвесная колонна труб; 3 - центральная подвесная колонна труб;4 - контур проектной выработки-емкости; 5 - нерастворительРис. II. 14. Схема к принципу расчета сооружения выработки-емкости с применением послойной прямоточной технологии "снизу вверх"Рис. II. 14. Схема к принципу расчета сооружения выработки-емкости с применением послойной прямоточной технологии "снизу вверх"
Рис. 11.13. Схема комбинированного метода сооружения подземной выработки - емкости:
I-V - ступени; 1 - обсадная колонна труб; 2 - внешняя подвесная колонна труб; 3 - центральная подвесная колонна труб;
4 - контур проектной выработки-емкости; 5 - нерастворитель
Рис. 11.13. Схема комбинированного метода сооружения подземной выработки - емкости:
I-V - ступени; 1 - обсадная колонна труб; 2 - внешняя подвесная колонна труб; 3 - центральная подвесная колонна труб;
4 - контур проектной выработки-емкости; 5 - нерастворитель
Рис. II. 14. Схема к принципу расчета сооружения выработки-емкости с применением послойной прямоточной технологии "снизу вверх"
Рис. II. 14. Схема к принципу расчета сооружения выработки-емкости с применением послойной прямоточной технологии "снизу вверх"
При проектировании регламента сооружения выработки-емкости следует исходить из следующего.
Выбор технологической схемы сооружения зависит от геологического строения отрабатываемого интервала каменной соли, а также от назначения подземного хранилища. Так, например, применение технологии с накоплением нерастворителя или комбинированной целесообразно при создании стратегических резервов, когда строительство совмещается охранением, вводхранилища в эксплуатацию ускоряется, а скорого оборота применяемого нерастворителя не предполагается.
Технологии, предполагающие противоточную подачу растворителя, предпочтительнее использовать при необходимости получения концентрированного рассола, предназначенного для переработки. Прямоточные методы выбирают при необходимости скорейшего сооружения выработки-емкости.
На первом этапе создания выработки-емкости создается гидровруб, предназначенный для сбора выпадающих нерастворимых включений и максимально возможного обнажения поверхности соли для последующего интенсивного растворения. Требуемая величина (объем) гидровру- ба определяется как содержанием нерастворимых включений, так и технологией сооружения выработки на последующих этапах.
Общее число ступеней (этапов) сооружения выработки-емкости определяется исходя из проектных размеров выработки и предполагаемого времени ее сооружения. При переходе со ступени на ступень в общем случае могут изменяться режим подачи растворителя, положение башмаков подвесных колонн, уровень нерастворителя. В конкретных условиях, в зависимости от принятой технологической схемы, число изменяемых параметров может быть меньшим. Например, при использовании послойной технологии с режимом сближенного противотока при переходе на следующую ступень поднимается отметка границы раздела растворителя и нерастворителя, а также поднимается башмак промежуточной подвесной колонны (укорачивается колонна). Центральная подвесная колонна приподнимается при необходимости, по мере зашламова- ния дна выработки нерастворимыми включениями.
Для иллюстрации принципов расчета числа ступеней рассмотрим расчетную схему сооружения подземной выработки с применением послойной прямоточной технологии «снизу вверх» (рис. 11.14).
тгоь=ЕЯ,, (Н.П)
где т - общее время сооружения подземного резервуара, сут; юй - средняя линейная скорость растворения соли практически пресной водой, м/сут; LR- сумма радиусов выработки-емкости, сооружаемой при помощи пресной воды, м.
Из рис. 11.14 следует, что
T.R=RM + Rj=2+ ...+R=n = nRb + 0,5nhtga, (И.12)
где R - начальные радиусы каждой ступени, в пределах которых растворение соли производится пресной водой, м; п - число ступеней растворения соли; Rb - верхний радиус выработки-емкости, м; h - высота от потолочины гидровруба (I ступень) до верха выработки-емкости, м; а - угол между прямой, проведенной через окончания радиусов и вертикалью.
На рис. 11.14 величинами R^ и R^ соответственно обозначены конечные радиусы первой и третьей ступеней, а величинами Д/?2 и Д/?3 - приращения радиуса первой ступени в период сооружения соответственно второй и третьей ступеней.
На основании формул (11.11) и (11.12) получаем формулу для расчета числа ступеней растворения соли исходя из общего времени сооружения подземного резервуара:
(11.13)(11.13)ТОХ п =-
(11.13)
(11.13)
Rb +0,5/?tga
При обобщении опыта сооружения подземных резервуаров получено уравнение для расчета времени растворения соли (сут):
T = Z+10-2koV,(11.14)
где z - постоянный коэффициент, равный 45 сут; V - проектный объем подземного резервуара, м3; kQ - размерный коэффициент, зависящий от производительности подачи воды Q, значения которого приведены ниже.
Q, м3/ч150 120 100 90 8070 605040 3020
kQ, сут/м30,2 0,24 0,276 0,31 0,35 0,4 0,46 0,56 0,62 0,82 1,25
По формуле (11.13) с учетом (11.14) можно рассчитывать рациональное число ступеней растворения каменной соли для обеспечения надежного формообразования подземного резервуара.
Ключевыми параметрами любой технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли являются определение концентрации выдаваемого на поверхность земли рассола и прогнозирование формы выработки-емкости, т. е. определение скорости растворения соли во всех ее точках. Физически процесс сооружения весьма сложен, так как происходит конвективный тепло- и массообмен в условиях внутреннего течения за счет вынужденной и естественной конвекции.
Для определения концентрации рассола, выдаваемого на поверхность при строительстве выработки-емкости, следует использовать соотношение
С = Сн-(С-С0)ехр(-Д),(11.15)
где С - концентрация рассола, выдаваемого из подземной выработки- емкости, кг/м3; Сн - концентрация предельного насыщения рассола в выработке-емкости, кг/м3; Со - концентрация растворителя, кг/м3; А - безразмерный параметр, зависящий от технологического режима процесса строительства, размеров и формы выработки-емкости, а также от свойств каменной соли; А = KS/Q; К - коэффициент скорости растворения,м/ч; S - площадь активной поверхности растворения, м2; Q - производительность выдачи рассола, м3/ч.
С учетом сложного строения массива каменной соли и конфигурации выработки, имеющихся в соли нерастворимых включений, а также возможных простоев в процессе строительства, формула для вычисления безразмерного параметрам принимает следующий вид:
N -
A-'^j-s.W-^S, ,(IU6)
где Р - средняя продолжительность простоев, доли единицы; п - средняя объемная доля нерастворимых включений в каменной соли; S; - площадь активной поверхности растворения, м2; Ki - средний коэффициент скорости растворения, м/ч; N - число поверхностей с различными коэффициентами скорости растворения.
При расчете технологических параметров процесса сооружения выработки-емкости коэффициент скорости растворения находится из зависимости
K=NuD/L,(11.17)
где Nu - диффузионный аналог критерия Нуссельта; D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/ч; L - характерный размер (длина) растворяемой на данном этапе поверхности, м.
Для боковых поверхностей выработки-емкости среднее значение критерия можно определить из зависимости
Nu6=a1(GrnPrn)0-3(Re,PrJ0 056Nu6=a1(GrnPrn)0-3(Re,PrJ0 056LdcpLdcp\0,112\0,112(11.18)(11.18)
Nu6=a1(GrnPrn)0-3(Re,PrJ0 056
Nu6=a1(GrnPrn)0-3(Re,PrJ0 056
L
dcp
L
dcp
\0,112
\0,112
(11.18)
(11.18)
Для потолочины (кровли) выработки-емкости:
(11.19)(11.19)Mu* =a2(Grn Prn )1/3,
(11.19)
(11.19)
где Gr, Pr - диффузионные аналоги критериев Грасгофа и Прандтля; Re - критерий Рейнольдса; dc - средний диаметр выработки-емкости, м; а^ а2 - поправочные коэффициенты к скорости растворения «эталонной соли», полученные экспериментально для вертикальной и горизонтальной поверхностей соответственно; индексы «п» и «ж» относятся, соответственно, к пограничному слою и основной массе растворителя.
Как видно из приведенных формул, аналитическое описание процесса образования выработок в каменной соли методом циркуляционного растворения базируется на фундаментальных законах массообмена и ряде эмпирических зависимостей и является весьма сложным. Поэтому для расчета регламентов сооружения выработок-емкостей используются программы для ЭВМ, которые позволяют рассмотреть большое число вариантов и выбрать оптимальное решение.
Как было отмечено, одним из важнейших способов управления растворением является закачка в верхнюю часть создаваемой выработки нерастворителя. Для поддержания необходимого уровня нерастворителя требуется производить его периодическую подкачку или выпуск. При использовании жидкого нерастворителя его баланс в выработке складывается из следующего.
Для послойной технологии назначается некоторая толщина слоя нерастворителя hH в потолочине, которая поддерживается постоянной в пределах этапа и обычно принимается равной 0,1-0,2 м. Производительность подкачки жидкого нерастворителя цн зависит от скорости растворения боковых стенок вблизи контакта с нерастворителем, которая обусловливает развитие потолочины в горизонтальном направлении. В данном случае величина qH (м3/ч) определяется по формуле
q = 2кгу h , к рг н’
(11.20)
где г - радиус выработки в месте контакта нерастворителя и рассола, м; v г - горизонтальная скорость растворения каменной соли в месте контакта нерастворителяи рассола, м/ч.
При использовании технологии с накоплением жидкого нерастворителя производительность подкачки нерастворителя для потолочин различной конфигурации вычисляется по следующим формулам:
шаровая форма
^Ч^дф
н ясЛ1дф+гк
(11-21)
где ф - угол наклона растворяющейся поверхности, град.; RCB - радиусы кривизны свода, м;
конус с вершиной в замке выработки-емкости
^pr^tgyHK+RKtg<p ’
(II.22)
где Нк и Рк - проектные высота и радиус конуса, м; эллипсоид вращения
^Х ^99 a htgcp+b гк
(II.23)
где а и b - проектные оси эллипса, м. параболоид вращения
ir^tgrp
н Р1дф+гк ’
(II.24)
где Р - параметр параболы, м.
В любом случае при расчете баланса жидкого нерастворителя следует учитывать его невозвратимые потери, которые складываются из потерь на: растворение в рассоле; образование эмульсии; адсорбцию на
hh
h
h
выпадающих нерастворимых включениях; защемление в неровностях поверхности выработки; утечки через обсадную колонну и устьевую обвязку скважины.
Аналогичным образом рассчитывается производительность закачки газообразного нерастворителя.
Воздух или другой газ как нерастворитель расходуется на заполнение верхней сводовой части выработки-емкости, растворение в рассоле и вынос в растворенном состоянии с рассолом на земную поверхность. Подача воздуха зависит от объема выработки-емкости, температуры в ней, концентрации выдачи рассола, а также от глубины заложения резервуара, т. е. от давления в выработке-емкости, поскольку воздух растворяется в рассоле и является сжимаемой средой.
В процессе строительства резервуара изменяются его геометрические размеры, уровень контакта нерастворитель - рассол и концентрация рассола. Через определенные промежутки времени может изменяться и производительность выдачи рассола.
Таким образом, уравнение материального баланса воздуха (нерастворителя) в системе можно представить в следующем виде (рис. 11.15):
Рис. 11.15. Расчетная схема циркуляции нерастворителя (см. формулу
(11.25));
1,2- уровень нерастворителя на момент времени соответственно t и t + dt; р6 - давление на уровне башмака водоподающей колонны; Vp - объем рассола; рр - плотность рассола
dV = dV+dV+dV вер y.p’
(11.25)(11.25)где dVB - необходимый объем воздуха для подачи в выработку-емкость за время dt; dVc - объем воздуха, расходуемый на заполнение сводовой части выработки-емкости; dVp - объем воздуха, растворенного в рассоле, который находится в выработке-емкости, получившей приращение объема на величину dV за время dt; dVyp - объем воздуха, уносимого с рассолом на земную поверхность за время dt.
(11.25)
(11.25)
Объем воздуха dVc определяется в соответствии с законом изменения (снижения или подъема) во времени уровня Н рассола в выработке-емкости (Wp(t) принимают по данным регламента сооружения резервуара).
Объем воздуха, растворенного в рассоле, V определяют из выражения:
V = 5*1/, р
где S* - растворимость воздуха в рассоле, м3/м3; I/ - объем рассола в выработке-емкости, м3.
Изменение Vp за время dt определяют из соотношения
(11.26)(11.26)£%=s.^+v^
(11.26)
(11.26)
dt dt dt
Объем воздуха Vyp, уносимого с рассолом в растворенном состоянии на земную поверхность за время dt, определяют как сумму объемов воздуха, растворившегося в объеме рассола, выдаваемого из выработки- емкости при растворимости у башмака рассолоподъемной колонны 5*б, и объема воздуха, растворившегося в объеме V при изменении растворимости на dS*
Р = ^Р S* + V -^ .(Н-27)
dt с/т 6 р dt
V =Ло_в Р0ТV =Ло_в Р0Т^2(Нр)(рб-ррдНр)+^2(Нр)(рб-ррдНр)+Ус9Р9Нр(рб-ррдНРб-ррднУс9Р9Нр(рб-ррдНРб-ррднС учетом этого уравнение материального баланса воздуха в системе примет следующий вид (см. рис. 11.15):
V =Ло_в Р0Т
V =Ло_в Р0Т
^2(Нр)(рб-ррдНр)+
^2(Нр)(рб-ррдНр)+
Ус9Р9Нр(рб-ррдНРб-ррдн
Ус9Р9Нр(рб-ррдНРб-ррдн
(11.28)(11.28)xdH0^ + S*— + 1/+ S6—p+Vn—
(11.28)
(11.28)
pdT dT 6 dT p dT
Последним членом в этом уравнении можно пренебречь из-за незначительного изменения растворимости воздуха в рассоле за время с/т. Тогда подача воздуха в выработку-емкость определится из уравнения:
dV dVc^ c*dV^ x/dS^ *
(11.29)(11.29)(7в= —= -^ + S -^ + V—7- + QSe, dT di dT dT p
(11.29)
(11.29)
где Qp - производительность выдачи рассола, равная dVJdT.
По этому уравнению строят график qB = f^ и в соответствии с ним осуществляют закачку воздуха в сооружаемый резервуар.
Методы контроля
В процессе сооружения выработки-емкости ведется непрерывный контроль технологических параметров. Периодически фиксируются параметры растворителя (концентрация, расход, температура, давление), рассола (концентрация, расход, температура, давление), нерастворителя (давление, количество в резервуаре). По концентрациям и расходам рассчитываются масса извлеченной на поверхность земли соли, приращение объема выработки и достигнутый объем выработки. Основным параметром, по которому принимают решение о переходе на следующую ступень, является достигнутый объем выработки. Значительные отклонения фиксируемых параметров от расчетных (проектных) могут сигнализировать о выходе процесса из-под контроля или о возможности аварийной ситуации. Снижение расхода и давления рассола указывает на зашламование рассольной колонны. Рост давления и снижение расхода воды указывает на закупорку водоподающей колонны или завал ее башмака при прямоточном режиме. Резкое увеличение концентрации рассола может указывать на обнажение кровли из-за подъема уровня нерастворителя вследствие его утечки.
Для контроля положения уровня нерастворителя при необходимости следует применять геофизические методы, которые позволяют определить уровень без подъема подвесных колонн.
Для контроля формы выработки-емкости используется звуколока- ция. Она осуществляется при помощи спускаемого в скважину прибора, являющегося излучателем-приемником ультразвуковых колебаний. Прибор генерирует узкий луч и фиксирует его отражение от стенок выработки. За счет поворота излучателя на определенный угол и его азимутальной привязки фиксируется горизонтальное сечение на любой заданной отметке по высоте выработки. Форма выработки определяется совокупностью горизонтальных сечений, а ее объем рассчитывается как сумма элементарных объемов между сечениями. Имеются звуколокаторы, фиксирующие и вертикальные сечения. При звуколокации через подвесные колонны без их подъема определение формы выработки осуществляется с несколько меньшей точностью и без азимутальной привязки.
Рис. 11.16. Схемы развития выработки-емкости, построенные по результатам звуколокации
I Hlh1
• НИИ
1 h||||i HHh
I in 'Ilin IIHI. 1ИЩ .w» - Н.1И
щпнми чнншг UIUIIIH 'ШПИЛ yuiiw IIIIIIIHI1
ННШ^ HIIIIIH ’ Ч51НН H
Ь М1Г/ »/J vSe
mt///-
Мп
1ЩР 1
ilinii'uUHU^
BIU * $Ш1Ш1^|
По результатам звуколокации определяются форма и объем выработки и, при необходимости, корректируется регламент ее сооружения. Примеры схематического изображения выработки-емкости, построенного на основании данных звуколокации, приведены на рис. 11.16.
Испытания на герметичность
П осле окончания строительства подземного резервуара проводятся его испытания на герметичность путем создания избыточного давления испытательной среды, в качестве которой могут быть использованы, в зависимости отхранимого продукта, жидкие нефтепродукты, газы или рассол. При испытаниях проверяется раздельно герметичность подвесной колонны труб, устьевой обвязки скважины с зацементированной обсадной колонной и выработки-емкости.
При испытаниях на герметичность следует иметь в виду следующее. Сама идея подземного хранения в каменной соли основана на опытном факте практической непроницаемости соляного массива. Поэтому с точки зрения герметичности резервуара наиболее слабыми элементами являются инженерные сооружения и технические системы: скважина, ее затрубное пространство и устьевая обвязка.
Герметичность устьевой обвязки устанавливается по отсутствию утечек испытательной среды в ее элементах в период проведения испытаний.
Герметичность подвесных колонн устанавливается по отсутствию перетоков испытательной среды между трубными пространствами в период проведения испытаний. При этом испытательная среда должна быть закачана в скважину на глубину, соответствующую длине испытуемого участка труб.
После установления герметичности устьевой обвязки и подвесных колонн труб осуществляются испытания на герметичность скважины с зацементированной обсадной колонной и резервуара в целом.
Для испытания скважины бесшахтного резервуара следует использовать компенсационный метод (рис. 11.17), основанный на сохранении количества нерастворителя в системе или метод контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве (рис. 11.18).
Необходимым условием применения этих методов является освобождение выработки-емкости от нерастворителя (хранимого продукта) и отсутствие притока их остатков в скважину.
88Рис. 11.17. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бесшах- тных резервуаров компенсационным методом:1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - насос для закачки рассола; 6 - мерная емкость; 7 - термометр; 8- манометр;9 - насос для закачки испытательной средыРис. 11.17. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бесшах- тных резервуаров компенсационным методом:1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - насос для закачки рассола; 6 - мерная емкость; 7 - термометр; 8- манометр;9 - насос для закачки испытательной среды
8
8
Рис. 11.17. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бесшах- тных резервуаров компенсационным методом:
1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - насос для закачки рассола; 6 - мерная емкость; 7 - термометр; 8- манометр;
9 - насос для закачки испытательной среды
Рис. 11.17. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бесшах- тных резервуаров компенсационным методом:
1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - насос для закачки рассола; 6 - мерная емкость; 7 - термометр; 8- манометр;
9 - насос для закачки испытательной среды
(II.30)(II.30)При испытаниях бесшахтных резервуаров на герметичность давление испытания в резервуаре на отметке башмака основной обсадной колонны ptc (Па) определяется из соотношения
(II.30)
(II.30)
Ptc^Pec’
где к, - коэффициент превышения давления испытания, зависящий от горно-геологическихусловий;рес-максимальное эксплуатационное давление на отметке башмака обсадной колонны, Па.
Рис. 11.18. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бес- шахтных резервуаров методом контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве:1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - напорное устройство для закачки испытательной среды; 6 - расходомер; 7 - дифманометр; 8 - манометр; 9 - насос; 10 - мерная емкостьРис. 11.18. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бес- шахтных резервуаров методом контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве:1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - напорное устройство для закачки испытательной среды; 6 - расходомер; 7 - дифманометр; 8 - манометр; 9 - насос; 10 - мерная емкость
Рис. 11.18. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бес- шахтных резервуаров методом контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве:
1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - напорное устройство для закачки испытательной среды; 6 - расходомер; 7 - дифманометр; 8 - манометр; 9 - насос; 10 - мерная емкость
Рис. 11.18. Схема испытаний на герметичность обсадных колонн скважин бес- шахтных резервуаров методом контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве:
1 - выработка-емкость; 2 - внутренняя подвесная колонна; 3 - внешняя подвесная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - напорное устройство для закачки испытательной среды; 6 - расходомер; 7 - дифманометр; 8 - манометр; 9 - насос; 10 - мерная емкость
Давление испытания на устье скважины не должно превышать значения, допустимого по условиям прочности элементов устьевой обвязки и обсадных труб.
В процессе испытаний определяется соотношение е (м3/Па), которое имеет физический смысл коэффициента сжимаемости испытуемой системы:
(11.31)(11.31)е = Д1//Др.
(11.31)
(11.31)
Для этого в скважину закачивается порция рассола объемом ДУ(м3) и измеряется соответствующее изменение давления рассола на устье скважины Ар (Па).
Испытания компенсационным методом проводятся следующим образом. При использовании жидкого нерастворителя пространство между основной обсадной и внешней подвесной колоннами труб заполняется нерастворителем до башмака внешней подвесной колонны с вытеснением рассола из скважины по межтрубному пространству подвесных колонн. Объем закачанного нерастворителя тщательно замеряется.
После установления контакта нерастворителя с рассолом на уровне башмака внешней подвесной колонны следует зафиксировать давление на устье скважины в межтрубном пространстве основной обсадной и внешней подвесной колонны, а затем давление в указанном пространстве необходимо поднять до давления испытания и поддерживать его в течение 48 ч подкачкой насыщенного рассола в центральную подвесную колонну с измерением его количества.
В период закачки нерастворителя и выдержки скважины под давлением проверяется герметичность внешней подвесной колонны по перетоку нерастворителя из пространства между основной обсадной и внешней подвесной колоннами в пространство между внешней и центральной подвесной колоннами.
Внешнюю подвесную колонну следует считать герметичной, если переток нерастворителя через нее при испытаниях отсутствует.
При негерметичности внешней подвесной колонны негерметичность устраняют и испытания повторяют.
После двухсуточной выдержки скважины под давлением подкачку рассола в центральную подвесную колонну следует прекратить.
Выпускать рассол следует из центральной подвесной колонны, чтобы снизить давление на устье скважины в межтрубном пространстве до гидростатического, т. е. до нулевого значения в межтрубном пространстве обсадной и внешней подвесных колонн. Затем необходимо закачать дополнительно в межтрубное пространство основной обсадной и внешней подвесных колонн нерастворитель в количестве ^ порциями объемом по 0,5-1,0 м3 до доведения контакта «нерастворитель - рассол» до башмака внешней подвесной колонны. Объем порций измеряют. Измеряют
температуру ^ (К) закачиваемой порции. После окончания закачки дополнительной порции систему выдерживают 2-4 ч для всплытия нерастворителя через рассол.
Всплывший внутрь внешней подвесной колонны нерастворитель извлекают, вытесняя его при необходимости закачкой рассола в центральную подвесную колонну, а объем отобранного нерастворителя 1/2 замеряют. Измеряют также температуру Т2 (К) отобранного нерастворителя.
Разность объемов закачанного и отобранного нерастворителя АУ (м3), составляющая утечки за двое суток, вычисляется по формуле
AV- (VlPl - У2р2)/р3,(II.32)
где pv р2, р3 - плотность нерастворителя при температурах Tv Т2 и в скважине соответственно.
При испытании на герметичность обсадных колонн скважин методом контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве испытательная среда закачивается в межтрубные пространства обсадной, промежуточной и центральной колонн до отметки, соответствующей испытуемому интервалу. Давление в выработке-емкости доводится до испытательного подкачкой рассола в центральную колонну. Затем перекрывается перемычка между межтрубными пространствами. Если в процессе выдержки происходит изменение давления между трубными пространствами, фиксируемое дифманометром, это означает относительное изменение уровня в них, т. е. утечку через обсадную колонну.
В случае изменения показаний дифманометра рассчитывают объем утечки AVd (м3) по формуле
АУ,=АУ,=л(О2 -D1) .
АУ,=
АУ,=
(11.33)(11.33)——!—Ар,
(11.33)
(11.33)
4д(р,-рь)
где D1 - внутренний диаметр обсадной колонны (или необсаженного участка скважины), м; О2 - диаметр внешней подвесной колонны, м; Apd - изменение давления на дифманометре после последней подкачки, Па; р,, рь - плотность испытательной среды и рассола соответственно, кг/м3.
При любом методе испытаний утечка через обсадную колонну по существующим нормам не должна превышать 0,02 м3 в сутки.
Подземный резервуар в целом (т. е. скважина совместно с выработкой-емкостью) испытывается на герметичность путем опрессовки рассолом. Испытание проводится следующим образом:
в выработку закачивают насыщенный рассол до достижения давления испытания;
затем закачка рассола прекращается и фиксируется изменение давления на устье скважины в подвесной колонне в течение 3 сут.
Вычисляется ежечасовой темп изменения давления на устье скважины в межтрубном пространстве обсадной и внешней подвесной колонн, равный разности показаний манометра за предыдущий и текущий час.
Бесшахтный резервуар считается выдержавшим испытание на герметичность, если темп ежечасового падения давления со временем снижается, стремясь к постоянной величине, а среднее падение давления за час в течение последних 12 ч выдержки не превышает 0,2 % давления испытания.
Изменение давления может быть вызвано:
увеличение давления - нагревом рассола, конвергенцией стенок выработки-емкости;
уменьшение давления - остыванием рассола, растворением стенок выработки-емкости недонасыщенным рассолом, утечкой рассола.
Процессы, связанные с изменением температуры и растворением, со временем затухают. Конвергенция вследствие пластических деформаций каменной соли на сравнительно небольших глубинах невелика и не сказывается сколь-нибудь значительно при испытаниях на герметичность. Поэтому в данном случае критерием герметичности резервуара является снижение темпа ежечасового падения давления в процессе испытаний до некоторой приемлемой величины, зависящей от вида продукта.
Резервуары, предназначенные для хранения природного газа, должны быть испытаны природным газом или азотом. Обычно газом испытывается только обсадная колонна и ее затрубное пространство.
В мировой практике обычно используются методы, суть которых состоит в следующем. В скважину подземного резервуара, снабженную защитной колонной с пакером, опускается контрольная труба (рис. 11.19). Затем в скважину закачивается известное количество газа таким образом, чтобы граница раздела «газ - рассол» установилась ниже башмака обсадной колонны, но выше кровли выработки-емкости. Предполагается, что местом возможной утечки является участок под башмаком обсад-
Рис. 11.19. Схема испытаний подземного резервуара на герметичность сжатым газом:1 - направление возможной утечки; 2 - манометры; 3 - мерная емкость, 4 - зацементированная обсадная колонна; 5 - газ; 6 - контрольная труба; 7 - рассолРис. 11.19. Схема испытаний подземного резервуара на герметичность сжатым газом:1 - направление возможной утечки; 2 - манометры; 3 - мерная емкость, 4 - зацементированная обсадная колонна; 5 - газ; 6 - контрольная труба; 7 - рассолТТЛТТЛ
Рис. 11.19. Схема испытаний подземного резервуара на герметичность сжатым газом:
1 - направление возможной утечки; 2 - манометры; 3 - мерная емкость, 4 - зацементированная обсадная колонна; 5 - газ; 6 - контрольная труба; 7 - рассол
Рис. 11.19. Схема испытаний подземного резервуара на герметичность сжатым газом:
1 - направление возможной утечки; 2 - манометры; 3 - мерная емкость, 4 - зацементированная обсадная колонна; 5 - газ; 6 - контрольная труба; 7 - рассол
ТТЛ
ТТЛ
ной колонны. Подземный резервуар выдерживается под испытательным давлением, как правило, до 2 сут. В случае утечки ее величина определяется балансовым или компенсационным методом. Критерием герметичности в этих испытаниях является масса утечки, составляющая несколько десятков килограмм в сутки.
5. Переоборудование резервуаров на эксплуатацию. Первое заполнение
П осле окончания сооружения выработки-емкости подземный резервуар переоборудуется на эксплуатацию. В некоторых случаях этого не требуется. Например, при создании подземного резервуара для жидких продуктов по технологии накопления нерастворителя к моменту окончания сооружения выработки резервуар оказывается заполненным хранимым продуктом. Тогда устьевое оборудование и подвесные колонны, оставшиеся от периода строительства, используются и при эксплуатации.
Переоборудование на эксплуатацию в общем случае заключается в следующем:
выпуск нерастворителя;
подъем подвесных колонн;
демонтаж устьевого оборудования;
монтаж скважинного и устьевого оборудования и подвесных колонн для эксплуатации;
отмывка подземного резервуара от нерастворителя;
первое заполнение резервуара.
Выпуск нерастворителя необходим во избежание его смешения с хранимым продуктом и при выполнении каких-либо монтажных работ на устье скважины, так как для этого требуется снизить избыточное давление в скважине.
Подъем подвесных колонн и демонтаж устьевого оборудования необходимы в случае, когда они не могут быть использованы в период эксплуатации или их компоновка требует изменения.
При монтаже оборудования для эксплуатации в скважине может быть размещена съемная защитная колонна с пакером, клапаны-отсекатели для предотвращения аварийной разгерметизации резервуара, одна или две подвесные колонны с необходимыми устройствами. При хранении
Рис. 11.20. Схема оборудования подземного резервуара для хранения природного газа по рассольной схеме:1 - направление; 2 - кондуктор; 3 - защитная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - незакрепленный участок скважины; 6 - эксплуатационная колонна; 7 - природный газ; 8 - рассолРис. 11.20. Схема оборудования подземного резервуара для хранения природного газа по рассольной схеме:1 - направление; 2 - кондуктор; 3 - защитная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - незакрепленный участок скважины; 6 - эксплуатационная колонна; 7 - природный газ; 8 - рассолРис. 11.21. Схема оборудования подземного резервуара для хранения светлых нефтепродуктов:
Рис. 11.20. Схема оборудования подземного резервуара для хранения природного газа по рассольной схеме:
1 - направление; 2 - кондуктор; 3 - защитная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - незакрепленный участок скважины; 6 - эксплуатационная колонна; 7 - природный газ; 8 - рассол
Рис. 11.20. Схема оборудования подземного резервуара для хранения природного газа по рассольной схеме:
1 - направление; 2 - кондуктор; 3 - защитная колонна; 4 - обсадная колонна; 5 - незакрепленный участок скважины; 6 - эксплуатационная колонна; 7 - природный газ; 8 - рассол
1 - направление; 2 - кондуктор; 3 - обсадная колонна; 4 - незакрепленный участок скважины; 5 - эксплуатационная колонна; 6 - жидкие углеводороды; 7-рассол
жидких продуктов по высоте подвесной колонны могут быть установлены устройства для отбора проб. На башмаке подвесной колонны может быть установлено демпфирующее устройство для предотвращения ее раскачивания при закачке и отборе продукта. При хранении газов по без- рассольной схеме на подвесной колонне может быть установлен хвостовик, обеспечивающий максимальный отбор рассола из выработки-емкости. Примеры скважинного оборудования подземных резервуаров различного назначения приведены на рис. 11.20 - 11.22.
В этот же период проводят испытания подземного резервуара на герметичность.
АзотАзот552323■ Природный■ газ■ Природный■ газРис. 11.22. Схема обустройства скважины подземного хранилища газа на период эксплуатации:7 - кондуктор; 2 - защитная жидкость; 3 - основная обсадная колонна; 4 - эксплуатационная колонна; 5 - компенсатор; 6 - раздвижные уплотнительные элементы; 7 - пакер; 8 - хвостовикРис. 11.22. Схема обустройства скважины подземного хранилища газа на период эксплуатации:7 - кондуктор; 2 - защитная жидкость; 3 - основная обсадная колонна; 4 - эксплуатационная колонна; 5 - компенсатор; 6 - раздвижные уплотнительные элементы; 7 - пакер; 8 - хвостовик
Азот
Азот
5
5
2
3
2
3
■ Природный
■ газ
■ Природный
■ газ
Рис. 11.22. Схема обустройства скважины подземного хранилища газа на период эксплуатации:
7 - кондуктор; 2 - защитная жидкость; 3 - основная обсадная колонна; 4 - эксплуатационная колонна; 5 - компенсатор; 6 - раздвижные уплотнительные элементы; 7 - пакер; 8 - хвостовик
Рис. 11.22. Схема обустройства скважины подземного хранилища газа на период эксплуатации:
7 - кондуктор; 2 - защитная жидкость; 3 - основная обсадная колонна; 4 - эксплуатационная колонна; 5 - компенсатор; 6 - раздвижные уплотнительные элементы; 7 - пакер; 8 - хвостовик
Отмывка подземного резервуара от нерастворителя необходима при хранении товарных и особо чистых химических продуктов. Необходимость отмывки вызывается тем, что некоторое количество нерастворителя может быть защемлено в неровностях боковой поверхности и особенно кровли выработки (в так называемых «карманах»). Поэтому при закачке хранимого продукта происходит его смешение с остатками нерастворителя, что ухудшает качество товарного продукта. Для отмывки выработки-емкости в ее верхнюю часть закачивается пресная
вода, подрастворяющая стенки и кровлю, что приводит к высвобождению и оттоку нерастворителя в скважину. Для удаления оставшегося после этой операции нерастворителя в верхнюю часть резервуара закачивают порцию хранимого продукта (или совместимой с ним жидкости), которую затем выпускают и утилизируют.
Первое заполнение подземных резервуаров, эксплуатируемых по рассольным схемам, аналогично подкачке нерастворителя при сооружении выработки-емкости. При безрассольной схеме эксплуатации при первом заполнении требуется извлечь из выработки максимальное количество рассола, а высвободившееся пространство и определит полезную вместимость резервуара. Первое заполнение подземного резервуара для хранения газа по безрассольной схеме имеет свои особенности. Подвесная колонна, по которой вытесняется рассол, в принципе не нужна при эксплуатации. Даже в том случае, если закачка и отбор газа ведутся как по межтрубному пространству, так и по этой колонне, она оказывает дополнительное сопротивление движению газа, а ее наличие приводит к усложнению устьевой обвязки. Для устранения указанных недостатков и повышения эксплуатационной надежности резервуара после вытеснения рассола эту колонну удаляют, не снижая давления газа в резервуаре ниже допустимого.
Наземный комплекс.
Эксплуатация подземных хранилищ
Состав наземного комплекса подземного хранилища зависит от назначения подземного хранилища, номенклатуры хранимых продуктов и схемы эксплуатации. Наземный комплекс подземного хранилища жидких углеводородов, например, светлых нефтепродуктов, эксплуатируемого по рассольной схеме, включает насосное оборудование для закачки в резервуары нефтепродуктов и рассола, трубопроводы, буферные наземные резервуары, наземные и подземные рассолохранилища, инженерные сети и терминалы (рис. 11.23).
При рассольной эксплуатации хранимый продукт вытесняется рассолом, а при закачке продукта в резервуар на поверхность земли выдавливается рассол. Для функционирования такого подземного хранилища создается система оперативного рассолоснабжения. Назначение системы
Рис. 11.23. Принципиальная технологическая схема подземного хранилища нефтепродуктов:
I - рассол; II - дизельное топливо; III - бензин; IV-запорное устройство; 1 - подземный резервуар; 2 - рассольная колонна; 3 - скважина; 4 - рассолохранилище; 5 - насос для рассола; 6 - буферный резервуар для дизельного топлива; 7, 8- насосы соответственно высокого и низкого давления; 9 - буферный резервуар для бензина
состоит, с одной стороны, в снабжении хранилища рассолом, т. е. в накоплении, производстве или получении необходимого количества рассола требуемой концентрации и его закачке в подземные резервуары. С другой стороны, система рассолоснабжения должна обеспечивать прием рассола при его выдаче из резервуаров и последующее складирование или утилизацию. Схема системы оперативного рассолоснабжения приведена на рис. II.24.
Система рассолоснабжения включает в себя следующее.
Наземные рассолохранилища, представляющие собой открытые экранированные по внутренней поверхности бассейны; в состав наземных рассолохранилищ могут входить системы поддержания концентрации рассола. Такие системы осуществляют, например, сбор поверхностного опресненного слоя и его смешение с основной массой рассола или испарение.
Скважины донасыщения, используемые для донасыщения опресненного рассола.
Подземные рассолохранилища. Существуют различные их типы. Наиболее распространены рассолохранилища, представляющие собой ана-
160
Рис. 11.24. Общий вид схемы оперативного рассолоснабжения:
1 - рассолохранилище с системой поддержания концентрации рассола; 2 - рассолохранилище со скважиной донасыщения рассола; 3 - скважина донасыщения рассола; 4 - подземное рассолохранилище; 5 - подземное рассолохранилище с упругой газовой подушкой; 6 - нагнетательная скважина для захоронения рассола в глубокие водоносные горизонты; 7 - рассолодобывающее предприятие; 8 - рассолопотребляющее предприятие
Раздел II
лог камер рассолодобычи (рассолодобывающих предприятий). Их эксплуатация производится путем закачки воды противотоком и извлечения насыщенного рассола; такая эксплуатация возможна при достаточно большой вместимости рассолохранилища. Другой тип подземных рассолох- ранилищ - аналог подземных хранилищ. При такой эксплуатации рассол хранится в выработках-емкостях и извлекается оттуда самотеком (верхняя выработка-емкость резервуара гирляндного типа) или выдавливанием сжатым газом (рассолохранилище с упругой газовой подушкой).
Насосная установка для перекачки рассола.
Скважины для закачки рассола в глубокие водоносные горизонты.
Система коммуникаций, связывающих систему оперативного рас- солоснабжения с соседними рассолодобывающими предприятиями.
Рис. 11.25. Принципиальная технологическая схема наземного комплекса подземного хранилища газа:
1 - магистральный газопровод; 2 - фильтр-сепаратор; 3 - пылеуловитель; 4 - узел замера расхода газа; 5, 6- компрессор соответственно первой и второй ступени; 7, 8- холодильник соответственно первой и второй ступени; 9 - газовый шлейф; 10 - узел редуцирования; 11 - измерительный комплекс; 12 - подземный резервуар; 13 - сборный коллектор; 14 - сепаратор; 15 - печь подогрева; 76-абсорбер; I7 - установка регенерации диэтиленгликоля
Система коммуникаций, связывающих ее с соседними рассолопотребляющими предприятиями.
Наземный комплекс подземного хранилища природного газа, эксплуатируемого по безрассольной схеме, включает компрессорную станцию для закачки газа в подземные резервуары, сепараторы, узлы осушки, очистки и подогрева газа, систему ввода и регенерации ингибиторов гидратообразования (рис. 11.25).
Вопросы для самостоятельной подготовки
Опишите типичную конструкцию скважины бесшахтного резервуара и перечислите основные требования к ней.
Перечислите факторы, влияющие на скорость растворения каменной соли при сооружении выработки-емкости.
Охарактеризуйте основные режимы подачи растворителя при сооружении выработок-емкостей.
Опишите принцип действия нерастворителя, укажите необходимые свойства веществ, используемых в качестве нерастворителя.
Укажите, применение каких технологических схем позволяет сформировать выработки-емкости с кровлей заданной формы и объясните, почему.
Опишите, каким образом осуществляется управление формой при строительстве выработки-емкости и объясните, на каких физических принципах оно основано.
Опишите последовательность расчета технологии сооружения выработки-емкости на примере применения послойной прямоточной технологии снизу вверх.
Опишите принципы расчета концентрации рассола, выдаваемого на поверхность при строительстве выработки-емкости.
Опишите последовательность расчета производительности закачки газообразного нерастворителя.
Перечислите параметры, контролируемые при сооружении выработки-емкости, и укажите, на основании чего осуществляется переход на следующую ступень.
Опишите назначение и принцип действия звуколокации.
Перечислите методы испытаний подземных резервуаров на герметичность и сформулируйте критерии герметичности.
Опишите последовательность испытаний подземных резервуаров на герметичность компенсационным методом.
Опишите последовательность испытаний подземных резервуаров на герметичность методом контроля уровня жидкости в межтрубном пространстве.
Охарактеризуйте факторы, которые могут вызвать изменение давления в подземном резервуаре.
Опишите операции, производимые при переоборудовании подземных резервуаров на эксплуатацию.
Укажите, в каких случаях и с какой целью производится отмывка подземного резервуара от нерастворителя.
Назовите устройства, устанавливаемые в подземном резервуаре при переоборудовании на эксплуатацию, и укажите их назначение.
Опишите состав наземного комплекса подземного хранилища, эксплуатируемого по рассольной схеме.
Опишите состав наземного комплекса подземного хранилища газа.
Глава 4
Отечественная н зарубежная практика проектирования н строительства бестактных хранилищ в каменнвб сини
П о технико-экономическим показателям, а также по соображениям бе- зопасности и охраны окружающей среды оказалось, что крупные хранилища жидких и газообразных углеводородов наиболее целесообразно создавать в каменной соли. Из известных зарубежных хранилищ в каменной соли следует выделить стратегические резервы нефти на берегу Мексиканского залива (США), хранилище сырой нефти и нефтепродуктов вблизи г. Маноск (Франция), в устье р. Эмс и в районе г. Эссена (Германия) и др.
Таблица П.5
Основные показатели подземных хранилищ в каменной соли
? Подземное хранилище
Государство
Число подземных резервуаров
Единичный объем подземного резервуара, тыс. м3
Яр-Бишкадакское (Башкирия)
РФ
6
20-75
Камеры Яр-Бишкадакского рас- солопромысла (Башкирия)
РФ
3
90-140
Кашкарское 1 (Башкирия)
РФ
8
50-200
Кашкарское II (Башкирия)
РФ
2
35-70
Казаяксное (Башкирия)
РФ
3
80-220
Зиминсное
РФ
4
17-22
Оренбургское
РФ
9
10-60
Астраханское
РФ
11
10-50
Площадка № 5
РФ
4
65
Дубненское
Украина
5
100
Объект 630
Украина
3
12-25
Объект 102
Украина
8
50-90
Площадка № 4
Белоруссия
5
100-140
Объект 129
Армения
5
12-26
Хранилище природного газа
Армения
19
50-200
Хранилище бутана
Армения
3
50
Итого:
98
10-220
К наиболее крупным объектам, построенным в каменной соли в России и странах СНГ, следует отнести ряд хранилищ нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо, газовый конденсат), природного и сжиженных газов (пропан, бутан, пропилен, бутилен) в республике Башкортостан, в Иркутской области, в республике Беларусь, на Украине, в Армении. Уникальным сооружением, не имеющим аналога в мировой практике, является подземное хранилище двухъярусного типа для сжиженного углеводородного газа (пропан, бутан), построенное на территории Армении, а также хранилище концентрата гелия в Оренбургской области.
В общей сложности по технологиям, разработанным в Подземгазпро- ме (ОАО «Газпром»), построены и эксплуатируются 98 подземных резервуаров для хранения жидких и газообразных углеводородов (табл. 11.5).
Первое хранилище в каменной соли было построено на территории Башкирии в 1961 г. Развитие работ по проектированию и строительству
Интервал
Продукт хранения
Год начала
Стадия освоения*
заложения, м
эксплуатации
550-750
Светлые нефтепродукты
1961
Строительство окончено
750-800
Тоже
1980
Тоже
540-750
Сжиженные газы
1974
i
Продопжаетсв строительство
540-750
Этилен
1981
Строительство окончено
410-540
Светлые нефтепродукты
1988
Продолжается строительство
1300-1350
Этилен
1984
Строительство окончено
1050-1470
Гелиевый концентрат, газовый
1985
Тоже
конденсат
090-1160
Газовый конденсат, продукт
1992
Продолжается строительство ■
продувки скважин
1070-1160
Светлые нефтепродукты
1992
тоже
550-650
Тоже
1965
Строительство окончено
390-400
«
1986
Тоже
520-750
«
1987
Продолжается строительство
1100-1200
«
1986
Тоже
400-550
«
1969
Строительство окончено
880-1000
Природный газ
1970
Продолжается строительство
850-970
Сжиженный газ
1978
Строительство окончено
390-1350
1961-1907
Рис. 11.26. Оборудование устья скважины подземного резервуара для хранения бензина с грунтовым обвалованием
подземных хранилищ было сосредоточено в одном регионе, в основном на Яр-Бишкадакской и Кашкарской площадях.
Подземное хранилище на Яр-Бишкадакской площади используется для хранения оперативного запаса сырья отдельных производств, готовой продукции, а также длительного и сезонного хранения нефтепродуктов, обеспечивая стабильную работу АО «Салаватнефтеоргсинтез». Вначале подземные резервуары строились для хранения дизельного топлива и бензина, затем (с 1973 г.) для сжиженных газов, ас 1986 г. для хранения Карачаганакского газового конденсата.
Оборудование устья скважин подземных резервуаров для хранения светлых нефтепродуктов показано на рис. II.26.
Впервые в отечественной практике на Яр-Бишкадакской площади использованы в качестве подземных резервуаров отработанные камеры рассолодобычи Стерлитамакского АО «Сода». Здесь же в 1980-1982 гг. была успешно освоена технология совмещенной добычи рассола и хранения светлых нефтепродуктов.
Транспорт сжиженных газов и газового конденсата на подземное хранилище осуществляется по трубопроводам диаметром 150 мм, а бензи-
Рис. 11.27. Схема Кашкарского подземного хранилища сжиженных газов:
1 - насос для перекачки рассола; 2 - рассолохранилище; 3 - установка дегазации рассола; 4 - насос для перекачки сжиженных углеводородных газов; 5 - установка осушки газа; 1 т-4т- эксплуатационные скважины
на - по трубопроводам диаметром 250 мм. Для вытеснения нефтепродуктов и сжиженных газов из подземных резервуаров используется концентрированный рассол рассолопромысла АО «Сода».
Кашкарское хранилище сжиженных газов является товарно-сырьевой базой заводов комбината «Салаватнефтеоргсинтез» и Стерлитамакского завода синтетического каучука и предназначено для хранения пропилена, бутилена, пропана, бутана, а также ШФЛУ и пентанов (рис. 11.27).
Рис. 11.28. Схема Кашкарского подземного хранилища этилена:
1 - насос для перекачки рассола; 2 - рассолохранилище; 3 - установка дегазации рассола; 4 - компрессор; 5 - установка осушки газа; 6 - сепаратор; 7 - установка очистки газа: 5 т, 2 э - соответственно технологическая и эксплуатационная скважина
Хранилище эксплуатируется по рассольной схеме. В связи с отсутствием рассолохранилища для вытеснения хранимого продукта из подземных резервуаров используется концентрированный рассол из строящихся выработок-емкостей, а также передаваемый с рассолопромысла. При закачке продукта в резервуар вытесненный рассол дегазируется и подается для переработки на комбинат АО «Сода».
Подземное хранилище этилена, расположенное на Кашкарской площади, предназначено для регулирования неравномерности потреб-
ления в системе производящих и потребляющих этилен предприятий на территории Татарстана и Башкортостана. Хранилище включает два подземных резервуара (рис. 11.28). Эксплуатируется по рассольной схеме. Вытесняемый рассолом этилен проходит через блок осушки и закачивается в этиленопровод. При закачке этилена в подземный резервуар вытесняемый рассол дегазируется и поступает в наземное рассо- лохранилище.
Технология строительства резервуаров осуществлялась послойным способом снизу вверх, без изменения места подачи воды в выработку на основных этапах ее отработки. При этом предварительно сооружалась подготовительная выработка необходимой формы и размеров. В качестве нерастворителя применялся бензин.
Применение такой технологии позволило улучшить формообразование выработок-емкостей и уменьшить вероятность загрязнения хранимого продукта остатками нерастворителя.
Казаякское подземное хранилище светлых нефтепродуктов расположено на Григорьевской площади в районе пос. Казаяк. Построено два резервуара. Эксплуатируется по рассольной схеме; хранение рассола осуществляется в наземном рассолохранилище.
Зиминское хранилище этилена расположено у концевого участка этиленопровода и обеспечивает регулирование неравномерностей потребления и производства этилена, а также аварийный запас для предприятий АО «Саянскхимпром». Этиленохранилище является составной частью транспортно-распределительной системы, регулирующей поставки этилена из г. Ангарска.
Подземные резервуары созданы на глубине более 1300 м в маломощных пластах (16-17 м) каменной соли (рис. II.29).
Технология строительства подземных резервуаров осуществлялась вводом растворителя в виде затопленных струй, создающих его вращение вокруг оси скважины. Применение такой технологии позволяет ускорить процесс строительства, уменьшить расход нерастворителя, улучшить формообразование, снизить асимметричность выработки-емкости и обеспечить чистоту хранимого продукта.
На этиленохранилище эксплуатируются три подземных резервуара. Конфигурация выработки-емкости 1Э, полученная поданным звуколокационной съемки, приведена на рис. II.30.
Геологический возраст
Литологическая колонка
Глубина, м
Мощность слоя, м
Описание пород
Конструкция скважины
0 820 530 324 мм
а
25
Песчано-гравийно-галечниковые отложения
25Д м
Верхоленская свита EjVl
253
228
Мергель глинистый с прослоями глин; в интервале 234-240 м трещиноватый
Ангарск® свита Е,ап
доломиты с редкими прослоями мергеля|
664
411
и глин; в интевале 3bU-40U м - с прослоями отюи соли
426
5 м
7 м
Будайская свита Е,Ы
811
147
Доломит с пропластками ангидритов
1314-
13246"13
Вельск® свита
Е,Ь8
1227
416
8 интервале 811-927 м - переслаивание каменной соли и доломита; ни*® - доломит, местами засоленный
Усольская свита
J08 1326
1342,5
115,5
Чередование пластов каменной соли и доломита
Рис. 11.29. Геологический разрез скважины 1Э Зиминского хранилища этилена:
1 - гравий, галечник; 2 - мергель; 3 - доломит; 4 - каменная соль
Хранилище эксплуатируется по рассольной схеме с использованием наземного рассолохранилища, показанного на рис. 11.31.
Площадка Мозырского поземного хранилища располагается в пределах северной части Мозырского соляного купола. Кровля соляной залежи вскрыта на глубинах 772-900 м. Вскрытая часть соляного массива характеризуется сложным строением. Слои соли и нераство-
13031303Рис. 11.30. Конфигурация выработки-емкости 13 Зиминского хранилища этилена, полученная по данным звуколокационной съемкиРис. 11.30. Конфигурация выработки-емкости 13 Зиминского хранилища этилена, полученная по данным звуколокационной съемкис
1303
1303
Рис. 11.30. Конфигурация выработки-емкости 13 Зиминского хранилища этилена, полученная по данным звуколокационной съемки
Рис. 11.30. Конфигурация выработки-емкости 13 Зиминского хранилища этилена, полученная по данным звуколокационной съемки
- 1300
1303
1310
^ w.s ®<®я -awes was* ,~s»®ivi»w:>
J
C* .1319
ськод
-4Seto.«»Ь«1«i**1
1320
302010
102030 м
- 1300
римых пород не имеют выдержанного простирания, смяты в нарушенные крутопадающие складки. Возможность корреляции соляного разреза на площади исключена.
Интервалы заложения подземных резервуаров распределены в диапазоне глубин 840-1150 м, а мощность рабочих толщ изменяется в пределах 65-161 м. Объем рассеянных в соляном массиве нерастворимых включений составляет 1-6 %.
В некоторых эксплуатационных скважинах внутри интервала заложения имеются прослои нерастворимых пород, мощность которых изменяется от 2 до 8 м, а углы их падения - от 50° до 80° (табл. II.6).
Нерастворимые прослои представлены аргиллито-глинистыми породами, глинами, алевролитами, мергелями, глинистыми сланцами, ангид- ратами и др.
Рис. 11.31. Наземное рассолохранилище подземного хранилища этилена
В качестве примера на рис. II.32 представлена конфигурация выработки-емкости резервуара № 2АЭ.
Глубина посадки обсадной колонны диаметром 273 мм резервуара 2АЭ составляет 1039 м, отклонение ствола скважины от вертикали Г, интервал заложения резервуара по данным звуколокации 1046-1132 м.
Таблица 11.6
Характеристика нерастворимых пропластков по рабочим интервалам эксплуата
Показатели
1АЭ
2АЭ
зэ
Рабочий интервал, м
940-1110
915-994
Мощность рабочего интервала,м
161
130
79
Интервал залегания нерастворимых прослоев, м (от-до)
Углы падения прослоев, градус
Состав прослоев
957-964
986-990 1002-1007 1033-1035 1063-1067
50-60
Аргиллит; мергель плотный, тонкослоистый; ангидрит трещиноватый
Отсутствуют
962-967 1016-1021
1064-1069
60-80
Карбонат, глина, ангидрит и др. с трещинами, заполненными красной солью
Ереванское хранилище сжиженных углеводородных газов предназначено для регулирования сезонной неравномерности потребления пропана и бутана, а также для приготовления пропанобутановоздушных смесей с последующей подачей их в городские газовые сети г. Еревана для регулирования суточной неравномерности газопотребления. Построено и сдано в эксплуатацию в 1987 г.
Хранилище (рис. II.33) состоит из двух подземных резервуаров, расположенных один над другим и связанных между собой и с поверхностью земли эксплуатационной скважиной с обсадной и эксплуатационной колоннами труб. Верхний и нижний резервуары имеют гидравлическую связь.
Отбор жидкого углеводорода из хранилища осуществляется путем вытеснения его рассолом, поступающим из верхнего резервуара в нижний, за счет энергии сжатого газа, закачиваемого в верхний резервуар.
При закачке продукт хранения по эксплуатационной колонне поступает в нижний резервуар, вытесняя рассол по межтрубью в верхний резервуар.
Строительство резервуаров осуществлено последовательно, вначале нижнего, а затем верхнего. При строительстве нижнего резервуара вначале отработка выработки производилась снизу вверх при противоточном режиме подачи воды, а на завершающей стадии - сверху вниз при сближенном противоточном режиме подачи воды. Верхний резер-
ционных скважин Мозырского ПХ
* Nt л 1^ ly5^ Sui ’М^й 'Brtti ^SeWSttito^tWesMSWiaS ^8№8^М№8‘с^М4*мЧс^6<@УЙйг«# '^hWI jftfW ^гащ^еШ»л,- -frJbtiWWItNe1 -Я*1»х<> *н*ЯГ<ь tfW Ч
43
63
73
83
980-1073
840-050
090-955
905-102|
93
110
65
115|
Отсутствуют
874-870,5
900,5-908,5
Отсутствуют
Отсутствуют
50-60
Ангидрит массивный с редкими трещинами, заполненными кальцитом
з в
<>
ю с <>ю с <>lL
ю с <>
ю с <>
1090
1110
_1130
Рис. II.32. Конфигурация выработки резервуара № 2АЭ Мозырского подземного хранилища в двух вертикальных сечениях по данным звуколокации (М1:400): 1-З^В;2-Ю-^С
Рис. 11.33. Схема Ереванского подземного хранилища сжиженных углеводородных газов:
1 - природный газ; 2 - рассол; 3 - сжиженный углеводородный газ; 4 - рассол
вуар создавался аналогичным способом. Растворитель подавался в выработку через перфорированную основную обсадную колонну. В качестве нерастворителя использовался природный газ.
В зарубежной практике в последние годы отмечается устойчивая тенденция к приоритетному развитию подземных хранилищ природного газа в каменной соли. Например, в Германии и США более половины прироста объемов хранимого природного газа на перспективу приходится на хранилища именно этого типа. В табл. II.7 приведена информация об объемах подземного хранения газа в каменной соли за рубежом.
Как известно, крупнейшая в мире сеть подземных хранилищ газа создана в США. Ее основу составляют хранилища в отработанных нефтегазовых месторождениях и в водоносных пластах. Тем не менее, на долю ПХГ в каменной соли приходится около 20 % активного газа, с суммарным объемом отбора 283 млн м3/сут.
Таблица 11.7
Количественные и объемные показатели ПХГ в каменной соли за рубежом
(Страна
Число ПХГ
Суммарный объем активного газа (на 1995 г.), млн м3
Суммарный отбор газа (на 1995 г.), млн м3/сут
эксплуатируемых
строящихся и проектируемых
США
26
21
2550
203
Канада
5
2
200
80
Франция
3
1
800
50
Германия
13
13
4500
160
Великобритания
2
-
500
40
Польша
-
1
-
-
Армения
1
-
240
10
Дания
1
-
300
10,8
Большинство подземных хранилищ газа в каменной соли в США работают с оборачиваемостью 6 раз в год, но есть и хранилища, как в г. Пите- ле, где число циклов закачки и отбора газа не менее 20. Это обусловило использование таких ПХГ в узловых точках газотранспортных и газораспределительных систем для покрытия пиковых нагрузок газопотребле- ния, в аварийных ситуациях, для выравнивания нагрузок на магистральные газопроводы с учетом конъюнктуры местных цен на природный газ.
В Германии строительство ПХГ в каменной соли началось с 1965 г. Осуществляется расширение девяти действующих ПХГ в каменной соли и строительство четырех новых. Средний объем активного газа по немецким ПХГ в солях составляет около 300 млн м3. В отдельных случаях, например, в районе г. Эссена объем ПХГ достигает 1600 млн м3 активного газа. Суммарный отбор газа составляет 160 млн м3/сут, что позволяет покрывать возникающие пики газопотребления.
Во Франции из 14 ПХГ три созданы в отложениях каменной соли. Хранилища Тэрсанн и Этрез, введенные в эксплуатацию, соответственно, в 1970 и 1979 гг. состоят из 14 подземных резервуаров каждое. Осуществляется конверсия хранилища Маноск, включающего 38 поземных резервуаров и ранее предназначенного для хранения сырой нефти, с целью хранения природного газа.
Первое ПХГ в солях в Великобритании было создано в начале 60-х гг. в районе Солтхема. Состоящее из подземных резервуаров небольшого
единичного объема, это хранилище работает в режиме покрытия как суточной, так и недельной неравномерности газопотребления. При этом оно заполняется в ночное время суток, а отбор газа осуществляется в утренние и вечерние часы.
Второе хранилище создано в Хорнси на морском побережье Йоркшира. Сейчас оно состоит из семи подземных резервуаров, в каждом из которых хранится 60 млн м3 активного газа.
В Канаде также широко используются ПХГ в каменной соли, причем объем активного газа в них к 1998 г. возрос примерно на 40 %.
Строительство первого ПХГ в Польше в соляном штоке около г. Мо- гильно началось в 1994 г. Оно будет осуществляться двумя очередями: до 2000 г. будут введены в строй восемь подземных резервуаров активным объемом 416 млн м3, рассчитанных на суммарный отбор 31 млн м3/ сут; всего будет построено 12 резервуаров с доведением суммарного активного объема до 1153 млн м3 и отбором газа до 55 млн м3/сут.
Ереванское хранилище природного газа предназначено для регулирования неравномерностей газопотребления Армении.
Строительство хранилища на Аванском месторождении каменной соли вблизи г. Еревана началось в 1968 г. Использовалась технология сооружения подземных резервуаров на сближенном противоточном режиме с применением газообразного нерастворителя (воздух, природный газ). Хранилище состоит из 18 подземных резервуаров, но в строительстве находится IV очередь, которая включает восемь резервуаров геометрическим объемом 150 тыс. м3 каждый и максимальным отбором газа 4 млн м3/сут (рис. II.34).
Природный газ для закачки в хранилище поступает от магистрального газопровода по газопроводу-отводу. Закачка газа в ПХГ осуществляется в течение пяти месяцев (май - сентябрь), отбор из хранилища - в течение четырех месяцев (декабрь - март). Газ из хранилища подается на входной коллектор газораспределительной станции, обслуживающей Ереван и прилегающие районы. На рис. II.35 и II.36 показаны устьевая обвязка скважины и шлейфы, связывающие подземные резервуары и наземный комплекс хранилища.
В перспективе предусмотрено увеличение объема активного газа с 240 до 360 млн м3 с увеличением суточного отбора природного газа до 10 млн м3.
Рис. 11.34. Схема Ереванского подземного хранилища природного газа (размеры и отметки - в метрах)
Концепцией развития подземных хранилищ природного газа предусматривается строительство десяти хранилищ в различных регионах России. Из них восемь (Калининградское, Волгоградское, Березниковское, Тульское, Смоленское, Серпуховское, Сереговское, Шедокское) размещаются на территории европейской части России и связаны с Единой системой газоснабжения страны. Два хранилища (Ангарское, Братское) предусматривается построить в Восточной Сибири.
Геологические условия соленосных бассейнов, где будут размещены десять подземных хранилищ природного газа, в основном отвечают требованиям строительства экономически эффективных хранилищ (табл. 11.8).
В табл. 11.9 приведены основные характеристики подземных резервуаров. В общей сложности необходимо построить 118 подземных резервуаров, из которых 63 - цилиндрической формы, 13- двухъярусного и 42 - тоннельного типа.
Рис. 11.35. Устьевое оборудование подземного резервуара для хранения природного газа
Рис. 11.36. Шлейфы газопроводов от подземных резервуаров к наземному комплексу ПХГ
Таблица 11.8
Основные геологические данные соленосных площадок строительства ПХГ
Хранилище
Глубина залегания кровли соли, м
Мощность соли, м
Содержание нерастворимых включений, %
Калининградское
860
140
0,8
Волгоградское
1340
120
10
Березниковское
411444
79-166
4-6
Тульское
050
45-50
1-2
Смоленское
835
50
1-2
Серпуховское
1007
500
1-2
Сереговское
300
>826
10-30
Шедокское
000
162
2-10
Ангарское
050
40-50
5-7
Братское
010-1100
73-78
2-8
Важным аспектом является наличие на территории строительства хранилищ источников водоснабжения для подачи воды при создании подземных выработок и условий удаления образующегося строительного рассола.
Если первое условие относительно легко удовлетворяется для указанных площадок строительства хранилищ путем водозабора из поверхно-
Таблици 11.9
Основные характеристики подземных резервуаров
Хранилище
Тип резервуара
Объем резервуара, тыс. м3
Глубина заложения резервуара, м
Число резервуаров
Калининградское
Вертикальный
400
950
14
Волгоградское
Двухъярусный
300
1450
13
Березниковское
Вертикальный
300
500
29
Тульское
Горизонтальный
350
970
8
Смоленское
«
350
970
8
Серпуховское
«
350
1040
6
Сереговское
Вертикальный
500
950
14
шедокское
400
1120
6
Ангарское
Горизонтальный
300
970
8
Братское
Вертикальный
200
1100
9
Таблица 11.10
Основные условия строительства подземных резервуаров
Хранилище
Условия водоснабжения
Способ удаления строительного рассола 1
I
Вид водозабора
Глубина, м
Калининградское
Водоносный горизонт
50-60
ЪСолезавод
2. Рассольный горизонт|
Волгоградское
Тоже
705-750
Химический комбинат।
Водоносный горизонт।
Березникоеское
Водохранилище
-
Химический комбинат
Тульское
Водоносный горизонт
200
Рассольный горизонт*
Смоленское
р. Вязьма
-
Тоже|
Серпуховское
р. Ока
-
Сереговское
р. Вымь
-
Солезавод|
Шедокское
р. Ходзь
-
Отработанное газовое месторождение |
Ангарское
р. Ангара
-
Химическое предприятие
Братское
«
-
ТожеI
стных или подземных источников, то вопросы удаления строительного рассола требуют специальных проработок для каждого объекта. В табл. II. 10 приведены данные об особенностях водоснабжения и удаления рассола перспективных ПХ.
Инженерно-геологические условия площадок строительства хранилищ, в основном, определяют индивидуальные особенности технологии сооружения подземных резервуаров на каждом объекте.
Технология строительства подземных резервуаров Березниковского, Шедокского и Братского хранилищ предусматривает применение послойного метода отработки снизу вверх с предварительным образованием подготовительной выработки.
При строительстве подземных резервуаров Калининградского и Се- реговского хранилищ предлагается комбинированная технология, которая позволяет осуществить строительство резервуара на начальных этапах отработки методом снизу вверх, а на завершающих этапах - с переходом на режим сближенного противотока.
Кроме того, для сооружения подземных резервуаров первой очереди Калининградского хранилища предложена технология, совмещающая строительство и эксплуатацию резервуаров. Технология предусматри-
вает сооружение резервуаров до геометрического объема 230 тыс. м3 с дальнейшим увеличением их до 400 тыс. м3, не прекращая эксплуатацию, и при этом обязательное получение концентрированного рассола (не менее 300 г/л).
Для Волгоградского хранилища, учитывая наличие в рабочей толще каменной соли пласта нерастворимых пород мощностью 4 м, принято решение использовать технологию сооружения двухъярусного резервуара. Технология предусматривает строительство каждого яруса раздельно методом снизу вверх с предварительным созданием подготовительных выработок.
Технология сооружения тоннельных резервуаров (Тульское, Смоленское, Серпуховское, Шедокское ПХГ) предусматривает создание их через две скважины (вертикальная и вертикально-горизонтальная). Расстояние между вертикальными частями скважин составит 300-400 м. Согласно разработанной технологии, отработка выработки осуществляется методом последовательно отступающих участков. Технология позволяет получить равновеликие поперечные сечения с куполообразной кровлей по всей длине резервуара.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Назовите регионы на территории России и стран СНГ, где построены подземные хранилища в каменной соли.
Назовите старейшее на территории России подземное хранилище в каменной соли и укажите, для каких продуктов оно предназначено.
Охарактеризуйте тенденции развития подземного хранения в каменной соли.
Назовите регионы России, перспективные для строительства ПХГ.
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАМУФЛЕТНЫХ ВЗРЫВОВ
Глава 1
Требованея к инженерно-геологическим дсловиям дчасшков строительства подземных резервуаров
В основе сооружения подземных резервуаров методом камуфлетных взрывов лежит способность пластичных глинистых пород уплотняться и упрочняться под действием взрывных волн и давления газов, образующихся при подземном взрыве. Уплотнение глинистых пород сопровождается пластическим течением и необратимыми деформациями, в результате которых в толще пластичных пород, окружающих камуфлет- ный заряд взрывчатого вещества (ВВ), образуется полость сфероидальной или эллипсоидальной формы.
Как показано на рис. III. 1, при взрывах сосредоточенных зарядов ВВ, расположенных на небольших глубинах, происходит выброс части грунта и уплотнение породы в донной части воронки выброса. Объем воронки выброса, как правило, превышает объем выброшенного материала, причем разница между этими объемами тем существенней, чем более сжимаемой является среда. С увеличением заглубления повышается интенсивность уплотнения грунта; наибольшая интенсивность уплотнения достигается при взрыве камуфлетных зарядов ВВ. Последний фак-
t ^ А х-
Ч^М Л #4
w^^^e
Рис. 111,1. Схема развития газовой полости и выброса породы взрывом (по Г.И. Покровскому)
тор и был положен в основу способа сооружения подземных сферических выработок-емкостей камуфлетными взрывами. Такие взрывы широко применяются в горной промышленности при образовании камер в крепких породах для размещения в них крупных зарядов ВВ. В слабых грунтах камуфлетные взрывы сосредоточенных зарядов ВВ используют для устройства набивных бетонных свай с «камуфлетной пятой». В данном случае используется эффект уплотнения глинистых пород и их способность образовывать свободную полость под воздействием давления продуктов детонации ВВ.
С учетом простоты технологических приемов при сооружении таких выработок и других преимуществ во ВНИИСТе, ВНИИПромгазе (впоследствии Подземгазпром) разработаны способы сооружения подземных резервуаров камуфлетными взрывами сосредоточенных зарядов ВВ.
Технология сооружения подземных резервуаров заключается в следующем (рис. III.2, III.3). С поверхности земли в глинистых породах до определенной глубины сооружается шурф или скважина. Для изоляции выработки-емкости от вышележащих водоносных горизонтов шурф (скважину) крепят, в зависимости от назначения хранилищ, металлическими трубами или сборными железобетонными кольцами, а затрубное пространство цементируют. Затем шурф (скважину) меньшим диаметром углубляют до отметки заложения заряда ВВ, а скважину (шурф) заполняют гидрозабойкой. В момент взрыва продукты детонации оказывают ударную нагрузку на стенки зарядной камеры. Расширение продуктов взрыва сопровождается образованием сферической полости, сообщающейся с поверхностью земли через закрепленный шурф (скважину).
Таким образом, наиболее трудоемкая часть строительства - земляные работы (разработка, транспортирование грунта и размещение от-
вом через закрепленный шурф:вом через закрепленный шурф:а - бурение шурфа начального диаметра; б - обсадка шурфа и цементация затрубного пространства; в - бурение шурфа конечного диаметра; г - подземная выработка-емкость после взрыва заряда ВВа - бурение шурфа начального диаметра; б - обсадка шурфа и цементация затрубного пространства; в - бурение шурфа конечного диаметра; г - подземная выработка-емкость после взрыва заряда ВВ
вом через закрепленный шурф:
вом через закрепленный шурф:
а - бурение шурфа начального диаметра; б - обсадка шурфа и цементация затрубного пространства; в - бурение шурфа конечного диаметра; г - подземная выработка-емкость после взрыва заряда ВВ
а - бурение шурфа начального диаметра; б - обсадка шурфа и цементация затрубного пространства; в - бурение шурфа конечного диаметра; г - подземная выработка-емкость после взрыва заряда ВВ
валов) - выпадает, что в значительной степени сокращает трудоемкость и время строительства, его стоимость. Освоенная глубина заложения таких резервуаров не превышает 60 м, объем единичной выработки-емкости достигает 200 м3 (диаметр до 7 м).
Участок для строительства подземных резервуаров выбирается исходя из наличия пригодной толщи глинистых пород и возможности ведения в данном районе буровзрывных работ.
Подземные резервуары сооружаются методом камуфлетных взрывов через буровые скважины (шурфы) в литологически однородных слоях глинистых пород мощностью не менее 15 м, с глубиной залегания до 60 м, обеспечивающих возможность образования устойчивых полостей, сохранность продукта и его надежную изоляцию от распространения за пределы охранных целиков.
Толща глинистых пород (рис. III.4), необходимая и достаточная для размещения подземной выработки-емкости и окружающей ее сферы (зоны) уплотненных взрывом пород, называется рабочей толщей N.
Исходя из геологической изученности, на перспективных участках определяется объем детальных инженерно-геологических изысканий, задачей
Рис. Ill .3. Технологическая схема сооружения подземного резервуара камуфлет- ным взрывом через скважину:
a - бурение скважины начального диаметра; б - бурение скважины конечного диаметра; в - образование прострелочного котла; г - основной взрыв; д - подземный резервуар, заполненный токсичными веществами
которых является установление пригодности участка для строительства подземных резервуаров и выдача исходных данных на проектирование.
В состав детальных инженерно-геологических изысканий входят: бурение разведочных скважин; геофизические и гидрогеологические исследования; полевые и лабораторные исследования глинистых пород; производство параметрических взрывов.
Рис. 111.4. Схема размещения подземной выработки-емкости в толще глинистых пород:
1 - выработка-емкость; 2 - сфера уплотнения глинистых пород камуф- летным взрывом; 3 - статический уровень водоносного горизонта
Разведочные скважины бурят для уточнения геологического разреза участка, определения мощности и выдержанности по простиранию толщи глинистых пород, их литологического состава, отбора проб на физико-механические испытания, выявления водоносных горизонтов и проведения гидрогеологических исследований.
Число разведочных скважин, расположение и глубина определяются степенью изученности, особенностями исследуемого участка, а также числом создаваемых резервуаров, их объемов и расстоянием между ними. На участках с относительно простым геологическим строением бурят одну скважину со сплошным отбором керна и две скважины с отбором проб в разрезе рабочей толщи. Скважины закладывают на расстоянии 100-150 м одна от другой, образуя равносторонний треугольник. На участках с более сложным геологическим строением число разведочных скважин может быть увеличено, а расстояние между ними - сокращено.
Проектная глубина разведочных скважин должна обеспечивать вскрытие всего разреза рабочей толщи и подстилающего ее водоносного горизонта. Исходя из апробированных глубин сооружения подземных резервуаров глубина проходки разведочных скважин не должна превышать 80 м. Технология и режимы бурения разведочных скважин должны обеспечить сплошной выход керна с ненарушенной структурой диаметром не менее 80 мм. Из поднятого керна отбираются пробы длиной не менее 0,2-0,3 м из каждой литологической разности пород; при однородности разреза пород отбирают одну пробу на 2 м проходки. Пробы пород парафинируют и направляют на лабораторные испытания.
В состав физико-механических исследований пород входит определение влажности, гранулометрического состава, прочности на одноосное сжатие и сцепление, плотности, пористости, показателя консистенции, коэффициентов фильтрации, диффузии и водонасыщенности.
Для более детального расчленения разреза в одной из разведочных скважин проводят промыслово-геофизические исследования радио- и электрическими методами (метод сопротивлений КС и микрозондирование, метод самопроизвольной поляризации ПС, гамма-метод, нейтронный гамма-метод).
Для определения деформационных и прочностных свойств глинистых пород испытание рабочей толщи прессиометрией выполняют не менее чем в двух разведочных скважинах. Для определения фильтрационных свойств пород рабочей толщи в массиве проводят, как правило, опытные нагнетания или наливы в скважинах, а также наблюдения за восстановлением уровней воды в скважинах.
Гидрогеологические исследования включают определение статического уровня и дебита водоносных горизонтов, химического состава воды и фильтрационных свойств пород рабочей толщи.
Для определения статических уровней, скоростей и направлений движения подземных вод в водоносных горизонтах, залегающих непосредственно над рабочей толщей и под нею, необходимо проводить наблюдения за режимом подземных вод, для чего бурят специально оборудованные для этой цели скважины.
Параметрические взрывы проводят для определения показателя простреливаемости глинистых пород П , а также для уточнения формы и объема подземных выработок-емкостей. Эти работы выполняют
в разведочных или в специально пробуренных для этих целей скважинах или шурфах.
Экспериментальные работы позвол или установить, что молодые по возрасту (четвертичные, третичные и др.) глинистые породы отличаются в большинстве случаев более благоприятными условиями для образования подземных выработок-емкостей, чем, например, палеозойские породы. Кроме того, молодые по возрасту отложения залегают преимущественно в верхних слоях осадочных пород на доступных для освоения глубинах.
В процессе апробирования различных разновидностей глинистых пород установлено, что для создания подземных выработок-емкостей наиболее благоприятны преимущественно грунты средней степени уплотненности с показателем уплотненности, близким к единице. По своему физическому состоянию, характеризуемому показателем консистенции, такие грунты (средние и тяжелые суглинки и легкие глины) имеют естественную влажность, близкую к влажности на пределе пластичности и консистенцию от +0,5 до -0,5. Установлена непригодность переуплотненных пород с показателями уплотненности более 1,5-2 и сухих слабоувлажненных пород, характеризуемых показателем консистенции менее -0,5... -1,0.
Отрицательные результаты наблюдались также в переувлажненных высокопластичных породах с естественной влажностью более 30 % и характеризующихся положительными значениями показателя консистенции, превышающими +0,5. Обычно в таких породах не удавалось образовать устойчивой выработки-емкости вследствие ее быстрого заплывания.
Равные или незначительно различающиеся уровни водоносных горизонтов, развитых непосредственно над толщей глинистых пород и под нею, указывают на их гидравлическую связь. Участки с такими гидрогеологическими условиями, как правило, непригодны для размещения площадок строительства подземных хранилищ.
В целом для создания подземных хранилищ наиболее оптимальны такие гидрогеологические условия, когда первый водоносный горизонт залегает ниже их глубины заложения и характеризуется слабым напором и небольшим дебитом.
Площадка предполагаемого строительства подземных хранилищ должна быть слабохолмистой, без оврагов, карстовых воронок, ополз-
ней, водоемов, свободной от крупной лесной растительности, заболоченности, наземных и подземных сооружений. Размеры площадки определяются числом резервуаров и их объемом, расстоянием между ними и назначением. Расстояние / между центрами подземных выработок-емкостей должно составлять / > 7Re, где Re- радиус выработки- емкости. Минимальные расстояния между подземными резервуарами приведены ниже.
Радиус проектируемого резервуара, м
.... 2,3
2,9
3,3
3,6
Объем проектируемого резервуара, м3
.... 50
100
150
200
Минимальное расстояние между центрами
незакрепленных резервуаров, м
.... 16
20
23
25
Вопросы для самостоятельной подготовки
Сформулируйте сущность технологических приемов при сооружении подземных резервуаров камуфлетными взрывами.
Перечислите основные требования к инженерно-геологическим условиям участков строительства подземных резервуаров камуфлетными взрывами. Изобразите схему размещения выработки-емкости в толще глинистых пород.
Глава 2
Буровзрывные раУопы
Бурение скважин и шурфов
Технологические скважины предназначены для спуска и размещения зарядов ВВ, ведения взрывных работ по образованию подземных полостей и дальнейшей их эксплуатации (см. рис. III.3).
Скважины бурят самоходными станками, обеспеченными оборудованием для цементации затрубного пространства.
Начальный диаметр скважины до глубины обсадки находится в пределах 300-400 мм. Обсадку производят металлическими трубами диаметром 250-300 мм с последующей цементацией затрубного пространства.
После затвердевания цементного раствора выполняется разбуривание цементной пробки и добуривание скважины конечным диаметром 150-200 мм до проектной глубины заложения заряда ВВ. Скважина считается подготовленной к взрывным работам, если она: очищена от бурового шлама; имеет проектные глубину и диаметр; в нее не поступает извне вода; искривление ствола от вертикали составляет не более 1-2°; качественно выполнена цементация затрубного пространства.
Технологический шурф предназначен для размещения на его забое сосредоточенного заряда ВВ (см. рис. III.2). В отличие от буровой скважины, шурф служит также для спуска-подъема людей, материалов и оборудования.
Для проходки шурфов в глинистых породах целесообразно использовать станки, предназначенные для проходки шахтных колодцев сухим способом на глубину 30-40 м в мягких и средней твердости грунтах.
Конструкция агрегата (рис. III.5) позволяет крепить стенки шурфа как после окончания бурения, так и вслед за его проходкой. Техническая характеристика КШК-ЗОА приведена ниже.
Диаметр шурфа, м0,75-1,3
Максимальная глубина бурения шурфа, м30
Средняя расчетная скорость проходки, м/ч1,0-1,25
Углубление бура за один цикл, мм 150-200
Подача бура за одно вращение, мм24
Частота вращения бура, мин 111 и 22
Рис. III.5. Копатель шахтных колодцев КШК-ЗОА:
1 - двигатель; 2 - верхний редуктор с механизмом вертикальной подачи; 3 - ручная лебедка для опускания обсадных колец; 4 - опорная рама; 5 - буровые трубы;6 - бур
Объем бура, м30,37
Скорость подъема бура, м/с0,3
Грузоподъемность моторной лебедки, т2
Масса агрегата (в полном комплекте), т5,98
В соответствии с разработанной технологией сооружения подземных резервуаров (см. рис. III.2) шурф состоит из закрепленной части диаметром 1,25-1,3 м, пройденной буром с расширителями, и незакрепленной части диаметром 800 мм, пройденной буром без расширителей. Длина незакрепленной части шурфа (скважины) устанавливается по проекти-
0750
Рис. III.6. Схема закрепления шурфа металлическими трубами:
1 - крышка оголовка шурфа; 2 - направляющий фонарь; 3 - металлическая труба диаметром 1020 мм;
4 - сварной шов; 5 - опорная рама
руемому радиусу выработки-емкости, приведенной к шару, из соотношения: h = 1,25Re.
При работе в устойчивых грунтах без водоносных горизонтов шурф можно крепить после его проходки на полную глубину.
При наличии в разрезе водонасыщенных пород шурф крепят одновременно с его проходкой.
Для спуска труб можно использовать автокран грузоподъемностью не менее 5 т. Обсадную колонну труб опускают секциями длиной по 5 м каждая (рис. III.6). Во избежание перекоса обсадной колонны в шурфе, а также для обеспечения равномерного распределения тампонажного раствора в закрепном пространстве на каждой секции труб рекомендуется приваривать по четыре центрирующие косынки, расположенные в одной горизонтальной плоскости. Центрирующие косынки можно использовать в качестве опоры при сварке стыков труб.
При креплении шурфа железобетонными кольцами (рис. III.7) спуск их выполняется при помощи опорного кольца.
А-А 2А-А 2
А-А 2
А-А 2
Рис. III.7. Схема закрепления шурфа железобетонными кольцами:
1' - крышка оголовка шурфа; 2 - стальной канат; 3 - железобетонное кольцо; 4 - опорное кольцо; 5 - ролик опорного кольца; 6 - ограничитель смещения железобетонного кольца
После посадки колонны на забой шурфа тампонируют закрепное пространство. Цементация должна быть выполнена так, чтобы между крепью и породой не оставалось незаполненного цементным раствором пространства. При неудовлетворительном качестве тампонажа взрыв заряда ВВ может вызвать нарушение обсадки, трещины и т. д.
После закрепления шурфа его углубляют диаметром 800 мм до уровня заложения заряда.
Шурф считается подготовленным к ведению взрывных работа, если он очищен от бурового шлама, имеет проектные глубину и диаметр, в него не поступает извне вода, искривление его ствола от вертикали не превышает 1 °, качественно выполнена цементация пространства между крепью и породой.
Глубина технологической скважины или шурфа определяется условиями предельной величины камуфлетного заряда ВВ и мощности /V глинистых пород (рабочей толщи).
где Нк - глубина залегания кровли рабочей толщи (мощность наносов, покрывающих глинистые породы), м.
Простреливаемость глинистых пород
Основной характеристикой механического действия глубинного взрыва на породу является показатель ее простреливаемости П , представляющий собой отношение объема образовавшейся подземной выработки-емкости к массе заряда ВВ, в силу чего он является исходной, определяющей характеристикой динамической сжимаемости пластичных глинистых пород.
Показатель простреливаемости, характеризуя динамическую сжимаемость глинистых пород и способность их к уплотнению, служит также одним из важнейших критериев оценки их пригодности для сооружения выработок-емкостей энергией взрыва. В этой связи представляет определенный практический интерес анализ данных экспериментального определения Ппр в натурных условиях.
Экспериментальные и опытно-промышленные взрывы, выполненные в глинистых породах различных разновидностей, позволили обобщить и проанализировать влияние на показатель их простреливаемости таких основополагающих факторов, как глубина заложения заряда, тип ВВ и забойки, а также масштаб взрыва.
Влияние указанных факторов на изменение Ппр определялось путем вскрытия и осмотра подземных полостей, а также замера их объемов.
Физико-механические свойства и показатели простреливаемости глинистых пород на участках сооружения выработок-емкостей камуфлетны- ми взрывами приведены в табл. 111.1, из которой видно, что большинство глинистых отложений, пригодных для сооружения в них выработок-емкостей, характеризуется величиной Ппр в пределах 0,2-0,3 м3/кг. При по-
196
Литологическая характеристика глинистых пород
Естественная влажность, %
Число пластичности
Конси
стенция
Плотность, т/м3
Показатель естественной уплотненности
Пористость, %
Степень водона- сыщения
Сцепление, 104 Па
Предел прочности на одноосное сжатие, 104 Па
Полная молекулярная влагоем- кость, %
П , м3/кг пр’
Моренный суглинок
10,5
0,0
-0,10
2,16
1,19
30,0
0,75
4,51
23,15
15,4
0,20
Суглинки
20,1
28,6
+0,04
1,94
0,95
41,0
0,79
-
57,80
23,0
0,30
Скифские глины
17,0
25,2
+0,02
2,01
0,94
36,8
0,77
5,30
72,10
20,0
0,23
Пестроцветные глины
21,0
20,0
+0,35
2,01
0,65
37,3
0,98
3,92
34,30
-
0,20
Чеганские глины
25,0
30,0
-0,03
1,94
1,03
44,0
0,97
11,77
-
-
0,24
Лессовидные суглинки
10,0
11,0
-0,36
1,70
1,36
40,0
0,50
2,94
25,50
-
0,30
Кайнозойские глины
24,4
23,5
+0,36
1,98
-
41,7
0,92
-
-
16,0
0,25
Делювиально-пролювиальные глины Целиноградской области
18,6
—
2,12
—
37,5
0,86
—
21,4
0,24
Неогеновые глины Краснодарского края
20,4
24,0
-0,19
1,90
1.14
45,7
0,95
-
-
30,4
0,20-0,00
Таблица 111.1
Физико-механические свойства глинистых пород
Раздел III
вышении пористости и уменьшении плотности глинистой породы Ппр увеличивается.
Анализ экспериментальных работ по сооружению выработок-емкостей в пластичных породах позволил сделать следующие выводы.
Для сооружения выработок-емкостей методом камуфлетных взрывов пригодны породы с содержанием глинистых частиц не менее 10 %, а песчаных - не более 60 %. Верхний предел содержания глинистых частиц в породе не должен превышать 60-65 %. Так, например, низкую простреливаемость глинистых отложений рудного горизонта неогена можно объяснить высоким содержанием глинистых частиц (68 %) и высокой степенью водонасыщения породы (97 %). Установлено, что при почти равной естественной влажности скифских и неогеновых глин показатели их простреливаемости значительно различаются. В то же время степень водонасыщения скифских глин значительно меньше, чем у неогеновых. Таким образом, чем водонасыщеннее глинистая порода, тем меньше ее П . Справедливость этого положения в значительной мере зависит от степени глинистости породы. Так, например, чеганс- кие и пестроцветные глины имеют более высокий показатель простреливаемости, чем неогеновые глины, при несколько более высокой степени водонасыщения. Оптимальная влажность уплотнения, т. е. влажность, при которой достигается максимальная сжимаемость глинистых пород, практически совпадаете максимальной молекулярной влагоем- костью W, которая, в свою очередь, близка к нижнему пределу пластичности И/. Как видно из табл. III. 1, глинистые породы, естественная влажность которых меньше нижнего предела пластичности, характеризуются более низким Ппр.
Наиболее высокими значениями Ппр характеризуются скифские глины, моренный суглинок и другие породы, естественная влажность которых близка к нижнему пределу пластичности. Таким образом, оценивая глинистые породы по степени их водонасыщения, необходимо учитывать их гранулометрический состав (глинистость). При содержании глинистых частиц в породе до 40 % степень водонасыщения не должна превышать 80 %. При более высокой глинистости степень водонасыщения может достигать 95 %.
Взрывные работы
Взрывные работы при сооружении выработок-емкостей выполняются в соответствии с Едиными правилами безопасности при взрывных работах.
При образовании выработок-емкостей методом камуфлетных взрывов применяются сосредоточенные заряды водоустойчивых ВВ, которые тонут в воде и хорошо в ней детонируют (аммониты, детонит М и др.).
Перед проведением взрывных работ незакрепленную часть шурфа или скважины проверяют шаблоном. Диаметр шаблона должен быть на 25 мм меньше диаметра незакрепленной части шурфа или скважины.
Масса заряда ВВ определяется исходя из объема проектируемой выработки-емкости для конкретной мощности глинистого пласта:
Q = f(q, V, г,/, е), (III.2)
где I/-объем проектируемой выработки-емкости, м3; г, I- коэффициенты, учитывающие соответственно влияние масштаба взрыва и глубины заложения заряда ВВ; е - коэффициент относительной мощности ВВ.
Как уже отмечалось, при ведении взрывных работ для сооружения выработок-емкостей пользуются показателем Ппо - величиной, обратной удельному расходу ВВ (кг/м3):
9=1/Лр. (Ш.З)
Экспериментальные взрывы в различных разновидностях глинистых пород (см. табл. III. 1) позволили установить, что коэффициенты г, / (см. зависимость (III.2)) не оказывают существенного влияния на Ппр. Учитывая это, формулу для расчета массы заряда ВВ при сооружении подземных полостей камуфлетными взрывами (III.2) можно записать в виде
Q = qVe. (Ш-4)
Значения коэффициента относительной мощности взрывчатых веществ е, найденные по идеальной работе взрыва (эталон - аммонит № 6ЖВ), для различных ВВ приведены ниже.
Аммонит №6ЖВ 1,00
Граммонал А-80,80
Аммонитскальный № 1 0,81
Детонит М0,82
Аммонал водоустойчивый0,91
Динафталит 1,08
Акванит ЗЛ 1,16
При сооружении выработки-емкости через шурф диаметр его незакрепленной части позволяет разместить необходимый по массе сосредоточенный заряд ВВ.
При сооружении выработок-емкостей через буровые скважины диаметром 250-300 мм требуется предварительное образование на забое скважины зарядной камеры для размещения основного заряда ВВ. Для этого скважину предварительно простреливают возрастающими по величине зарядами ВВ.
Число прострелок и масса прострелочного заряда зависят от требуемого объема зарядной камеры для размещения основного заряда ВВ с учетом коэффициента заряжания и показателя простреливаемости Ппр конкретной разновидности глинистых пород. Общая масса прострелоч- ных зарядов (кг) для образования зарядной камеры определяется по формуле:
ОПр = О/(ЛА), (IH.5)
где А - плотность заряжания, кг/м3.
Масса основного заряда ВВ определяется исходя из объема проектируемой выработки-емкости для конкретной мощности глинистого пласта:
Q = Vjn <Q , (III.6)
где Окам - предельная масса заряда ВВ камуфлетного действия, кг.
При этом под предельным зарядом камуфлетного действия подразумевается такой заряд ВВ, взрыв которого не оказывает разрушающего воздействия на земную поверхность.
Практика ведения взрывных работ показывает, что по мере увеличения глубины заложения постоянного по массе заряда ВВ размеры видимой воронки взрыва сначала возрастают, затем проходят через максимум и начинают уменьшаться, доходя до нуля. Последующее уве-
Рис. III.8. Схемы действия взрыва в суглинках в зависимости от глубины заложения заряда ВВ
личение глубины заложения заряда приводит к тому, что энергии взрыва оказывается недостаточно для образования воронки, грунт над зарядом разрыхляется, и на поверхности земли появляется характерное вспучивание. Дальнейшее увеличение глубины заложения заряда приводит к уменьшению степени вспучивания земной поверхности и снижению интенсивности растрескивания ее до момента, когда взрыв перестает оказывать на земную поверхность какое-либо разрушающее воздействие и создаются условия, характерные для камуфлетно- го взрыва (рис. III.8, а - е).
Для экспериментального определения камуфлетности подземных взрывов был использован закон геометрического подобия, который предполагает неизменность среды и характера взрыва при изменении масштабов взрывных работ, т. е. расстояние Н(Др), где при взрыве регистрируется избыточное давление р в ударной волне, пропорционально радиусу заряда г:
H^^a^. (III.7)
Однако закон подобия в такой форме можно использовать в весьма узких рамках, ограниченных зарядами одного и того же типа ВВ одинаковой плотности. Для ВВ различной плотности в качестве характеристи-
ки заряда вместо его радиуса следует использовать корень кубический из его массы:
(111.8)(111.8)H(kp) = a2^Q,
(111.8)
(111.8)
(Ш-9)(Ш-9)откуда следует, что если при взрыве заряда массой О1 давление ударной волны Др имеет место на расстоянии Hv то при взрыве заряда массой Q2 это же давление будет иметь место на расстоянии Н2 (а^ а2 - коэффициенты пропорциональности):
(Ш-9)
(Ш-9)
Нд N
В этом случае
Величина Н = Н/^/Q называется приведенным расстоянием и является характеристикой давления ударной волны. При камуфлетных взрывах она выполняет роль своеобразного критерия подобия.
Таким образом, заряды Q^ Q2, Q3,..., Qn являются камуфлетными (предельными), если Др1 = Др2 = Др3 = ... = Дрп или
Эта зависимость открывает широкие возможности для моделирования камуфлетных взрывов. Действительно, достаточно экспериментально найти значение приведенного расстояния для одного взрыва предельного камуфлетного заряда, зная глубину его заложения, чтобы определить в подобных среде и условиях предельную массу второго, третьего камуфлетных зарядов и т. д.
На площадках строительства подземных резервуаров в моренных суглинках и глинах скифского возраста экспериментально найдены предел ь-
ные значения массы камуфлетных зарядов на различных глубинах, позволившие определить масштаб приведения и отработать методику оценки камуфлетности взрывов.
В качестве критерия для оценки камуфлетности взрыва была принята степень нарушения земной поверхности как функция приведенной глубины заложения заряда ВВ.
Исходя из результатов экспериментальных работ, зависимость предельной массы камуфлетного заряда ВВ от глубины его заложения может быть представлена в виде
Q^KH", (111.12)
где к, л - эмпирические константы, зависящие от физико-механических свойств глинистых пород и типа ВВ.
По результатам экспериментальных данных для моренного суглинка к = 0,04, л = 2,8, а для скифских глин к = 0,04, л = 2,9. Анализ результатов экспериментальных работ показывает, что для исследованных и близким к ним по физико-механическим свойствам глинистых пород к = 0,04; для легких суглинков л = 2,8; для более тяжелых разновидностей глинистых пород л -> 3.
В соответствии с установленными значениями эмпирических констант на рис. III.9 приведены зависимости предельной массы камуфлетного заряда ВВ от глубины его заложения. Полученные численные значения предельной массы камуфлетного заряда для различных глубин его заложения справедливы при использовании аммонита № 6ЖВ. В случае использования других ВВ массу заряда пересчитывают при помощи коэффициента относительной мощности ВВ.
Однако закон геометрического подобия, положенный в основу методики моделирования камуфлетных взрывов, справедлив лишь при определенных условиях. Даже при одних и тех же форме заряда, типе ВВ, плотности заряжания и методах взрывания закон геометрического подобия с известной точностью подтверждается экспериментами лишь для некоторого интервала значений массы заряда ВВ и разновидности грунтов, но за пределами этого интервала масштаб приведения может изменяться.
Определение массы камуфлетного заряда ВВ с использованием зависимости (Ш.11) требует проведения специальных параметрических 202
Рис. III.9. Зависимости предельной массы камуфлетного заряда ВВ от глубины его заложения:1 - для моренных суглинков (О = 0,04Н2-8); 2 - для скифских глин (Q = 0,04Нм); 3 - расчетный, для тяжелых разновидностей глинистых пород (О = 0.04W3)Рис. III.9. Зависимости предельной массы камуфлетного заряда ВВ от глубины его заложения:1 - для моренных суглинков (О = 0,04Н2-8); 2 - для скифских глин (Q = 0,04Нм); 3 - расчетный, для тяжелых разновидностей глинистых пород (О = 0.04W3)
Рис. III.9. Зависимости предельной массы камуфлетного заряда ВВ от глубины его заложения:
1 - для моренных суглинков (О = 0,04Н2-8); 2 - для скифских глин (Q = 0,04Нм); 3 - расчетный, для тяжелых разновидностей глинистых пород (О = 0.04W3)
Рис. III.9. Зависимости предельной массы камуфлетного заряда ВВ от глубины его заложения:
1 - для моренных суглинков (О = 0,04Н2-8); 2 - для скифских глин (Q = 0,04Нм); 3 - расчетный, для тяжелых разновидностей глинистых пород (О = 0.04W3)
взрывов на участке строительства подземных резервуаров для определения эмпирических констант кип.
Предварительно массу предельного камуфлетного зарядв ВВ можно оценить исходя из физико-механических свойств пластичных глинистых пород, слагающих рабочую толщу площадки, отведенной под строительство подземных резервуаров.
Существенными переменными, определяющими массу камуфлетного заряда ВВ, помимо глубины его заложения, являются предел прочности глинистых пород на одноосное сжатие о, сцепление С и плотность пород р, т. е. зависимость Окам от этих параметров можно представить в виде
Ога = ШС,р), (111.13)
Обобщив экспериментальные данные на основе теории размерностей, удалось установить связь между этими параметрами в виде критериального уравнения
^кам 9^кам 9-к ° 0 с-к ° 0 сЛ г о \тЛ г о \т(111.14)(111.14)
^кам 9
^кам 9
-к ° 0 с
-к ° 0 с
Л г о \т
Л г о \т
(111.14)
(111.14)
Параметры к0, т, п определены с использованием результатов 60 подземных взрывов в глинистых породах нескольких разновидностей. Получены следующие средние значения параметров:
(111.15)(111.15)к0 = 1,5-105; m = 0,9; л = 0,1.
(111.15)
(111.15)
Плотность заряжания и выбор конструкции забойки П ри сооружении подземных резервуаров камуфлетными взрывами оптимальны такие параметры буровзрывных работ, при которых практически отсутствуют нарушения стенок выработок, т. е. их трещиноватость минимальна, а форма выработок близка к сферической.
Анализ результатов экспериментального строительства подземных резервуаров камуфлетными взрывами показал, что форма выработок- емкостей наиболее близка к шаровой при максмальной плотности заряжания. Изменение плотности заряжания при создании подземных резервуаров камуфлетными взрывами не оказывает существенного влияния на П . пр
№5№5Рис. 111.10. Контуры вертикальных разрезов выработок-емкостей, образованных камуфлетными взрывами в скифских глинах (размеры - в метрах)Рис. 111.10. Контуры вертикальных разрезов выработок-емкостей, образованных камуфлетными взрывами в скифских глинах (размеры - в метрах)№8№8
№5
№5
Рис. 111.10. Контуры вертикальных разрезов выработок-емкостей, образованных камуфлетными взрывами в скифских глинах (размеры - в метрах)
Рис. 111.10. Контуры вертикальных разрезов выработок-емкостей, образованных камуфлетными взрывами в скифских глинах (размеры - в метрах)
№8
№8
Взрывание зарядов ВВ массой 80-535 кг подтвердило данные, полученные на полостях-моделях. Так же, как и на моделях, при плотности заряжания, близкой к насыпной плотности ВВ (рис. 111.10), форма полости наиболее близка к шаровой.
Установлено, что в пластичных породах в качестве забойки целесообразно использовать жидкие материалы (вода, глинистый раствор и т. д.), которые обеспечивают полноту использования энергии камуфлетного взрыва и беспрепятственный доступ к выработке-емкости.
Оценка сейсмической безопасности камуфлетных взрывов
П рименение взрывов в горном деле и строительстве, а также увеличение их мощности вызывает сотрясение земли в масштабах, вполне сопоставимых с теми, которые наблюдаются при землетрясениях. В этой связи вопросы обеспечения безопасности различного рода сооружений, расположенных в районе взрывных работ, приобретают первостепенное значение.
Особенностью камуфлетных взрывов, используемых при соружении подземных резервуаров в пластичных грунтах, является значительная глубина заложения заряда, обусловливаемая необходимостью сохранения над выработкой-емкостью устойчивой структуры грунта.
В практике проведения взрывных работ расстояние, безопасное для различных сооружений по действию сейсмической волны, возникающей в грунте от взрыва сосредоточенного заряда, рассчитывают по формуле М.А. Садовского:
Rc=kca^Q, (UI.16)
где Rc - расстояние от места взрыва, м; кс - коэффициент, величина которого зависит от свойства грунта в основании охраняемых сооружений; для различных грунтов кс = З-е-20, для глинистых грунтов принимают кс = 9; а - коэффициент действия взрыва; при камуфлетном взрыве а = 1,2; Q - масса заряда ВВ, кг.
Опыт проведения камуфлетных взрывов показывает, что формула (111.16) дает завышенные величины безопасных расстояний.
Возбуждаемые взрывом объемные и поверхностные волны имеют различные законы затухания с расстоянием. Сферическая объемная волна распространяется от взрыва во всей толще грунта, поверхностная волна распространяется в относительно тонком слое грунта и вследствие этого затухает с расстоянием слабее, чем объемная волна.
Для дальнейшего изложения приняты следующие обозначения: Н- глубина заложения заряда ВВ, м; Н = Н/ЧО - приведенная глубина заложения заряда ВВ, м/кг1/3; г - расстояние от места взрыва, м; г = г/ЧО - приведенное эпицентральное расстояние, м/кг1/3; и.юп - допустимые значения скорости колебаний, различные для разных типов зданий и сооружений, см/с; kv ку к3 - коэффициенты, зависящие от свойств грунта; для глинистых пород к1 = 15, к2 = 35, к3 = 20.
Сейсмический эффект взрыва в значительной мере зависит от физико-механических свойств среды, в которой происходит взрыв, причем изменение этих свойств в большей степени сказывается на колебаниях грунта в поверхностной волне.
Установлено, что скорости колебаний в поверхностной волне для взрывов в глине в 2 раза выше, чем в суглинке, и в 4 раза выше, чем в лессе.
Сейсмобезопасные расстояния при взрывах сосредоточенных зарядов следует рассчитывать по формулам:
для Г = 15^20 по объемной волне
идоп
для г >20 и Н<5 по поверхностной волне
г=-^;<llue>
для Н >5
доп
При создании подземных выработок-емкостей в толще моренных суглинков и использовании в качестве ВВ аммонита № 6ЖВ сейсмобезо- пасные расстояния можно определить по табл. III.2. В ней в зависимости от массы зарядов ВВ (100-5000 кг), различных значений допустимых скоростей колебаний (от 0,15 до 0,01 см/с) и двух наиболее распространенных при создании подземных резервуаров методом камуфлетных взрывов приведенных глубин заложения зарядов (Н = 2,7 и Н = 3,2) даны величины сейсмобезопасных расстоянй (гс, м).
Таблица 111.2
Сейсмобезопасное расстояния в зависимости от массы заряда В и приведеной глубины его заложения
^1 S 1e»№Wr ^М*Лт н Й'^'МгТ 1 н -Г *т1 чч—ч » ^w* 5-
Масса заряда. ВВ, кг
Сейсмобезопасные расстояния г (м) при 1)ю, см/с4
0,15
0,10
0,05
°,03I
Н = 2,7
200
40
48
66
87
400
50
61
83
110/
ООО
58
69
95
126 I
ООО
64
77
104
140
1000
69
82
112
150
1500
78
94
130
170
2000
87
105
142
190
2500
93
112
153
205
3000
100
118
162
215
4000
110
130
180
240
5000
117
141
192
255
Й=3,2
200
45
55
70
89
400
55
65
90
113
600
65
75
101
128
000
70
85
115
142
1000
75
90
125
153
1500
85
101
140
175
2000
95
115
155
195
2500
100
121
165
210
3000
110
130
175
220
4000
120
141
191
242
5000
130
155
210
261
Вентиляция
Камуфлетный взрыв заряда ВВ сопровождается образованием значительного количества ядовитых газов, заполняющих выработку-емкость. Основные ядовитые газы при взрывных работах в практически опасных количествах: оксиды азота, оксид углерода, сернистый газ и сероводород.
Расчет необходимого количества воздуха (продолжительности проветривания выработки-емкости) по существующим зависимостям весьма затруднен в связи с тем, что после камуфлетного взрыва значительное количество ядовитых его продуктов защемлено в порах и трещинах глинистых пород. Эти газы длительное время дренируют в выработку-емкость и представляют опасность для людей.
На основании экспериментальных данных зависимость содержания оксидов азота и оксида углерода от количества поданного в выработку- емкость воздуха (рис. Ш.11) можно представить в виде:
для оксида углерода
С=73-10-4-1,04-10-4х;(III.20)
для оксидов азота
Са = 50-10-4- 0,625' 10"4х,(111.21)
гдех - кратность подачи воздуха в объемах выработки-емкости V.
Рис. 111.11. Зависимости содержания ядовитых продуктов детонации ВВ в атмосфере выработки-емкости от кратности подачи воздуха:
- объемная доля оксида углерода, %; 2 - то же, оксида азота
10 м10 мРис. 111.12. Схема вентиляции выработки-емкости и отбора проб воздуха для анализа:
10 м
10 м
1 - вентилятор; 2 - воздухопровод; 3 - шланг для отбора проб воздуха; 4 - насос (аспиратор) для проб
Результаты экспериментальных работ, а также анализ литературных данных показали, что наиболее приемлемой схемой вентиляции ка- муфлетных выработок-емкостей, по аналогии с вентиляцией тупиковых забоев и камер, является нагнетательный способ проветривания (рис. 111.12).
Вентиляция выработок-емкостей может быть выполнена вентиляторами местного проветривания по трубам диаметром 400, 500, 600 мм и более из прорезиненной ткани типа М.
При выборе диаметра вентиляционного трубопровода следует иметь в виду, что потери давления обратно пропорциональны пятой степени диаметра трубопровода. Количество же энергии, затраченной на проветривание, пропорционально потере давления.
Экспериментальные работы в натурных условиях позволили установить скорость выделения ядовитых газов, находящихся после взрыва в
защемленном состоянии в стенках полости. Так, например, через 24 ч после полного удаления ядовитых газов в выработку-емкость выделилось 6,7-10 3 м3 оксида углерода, что в 3,5 раза превышает санитарнодопустимую норму, и 1,5-103 м3 оксидов азота, что в 5 раз превышает санитарно-допустимую норму для резервуара объемом 120 м3. Поэтому спуск и работа людей в выработке-емкости допускаются только после ее проветривания и при постоянно работающем вентиляторе.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Приведите основные конструктивные элементы шурфов и скважин и последовательность их подготовки к буровзрывным работам.
Каким показателем характеризуется динамическая сжимаемость глинистых пород и какие факторы влияют на величину этого показателя?
Определите массу предельного камуфлетного заряда ВВ и оптимальную плотность заряжания для скифских глин.
На чем базируется принцип расчета сейсмической безопасности камуфлетных взрывов?
Укажите особенности вентиляции подземных резервуаров, созданных камуфлетными взрывами.
Глава 3
Устойчивость подземных выработок-емностей
И звестно, что камуфлетный взрыв заряда ВВ в пластичной породе из- меняет ее первоначальные физико-механические свойства и приводит к образованию качественно иного материала с повышенными механическими свойствами в зоне уплотнения.
Положительным фактором действия взрыва на грунт является уменьшение пористости и размера пор, а также увеличение ориентации и дисперсности глинистых частиц, что обусловливает увеличение сцепления и предела прочности на одноосное сжатие.
На основании экспериментальных исследований различных разновидностей глинистых пород и изучения изменения их прочностных свойств в зоне уплотнения представляется возможным выделить следующие характерные области (рис. 111.13): выработку-емкость радиусом Re, зону растрескивания породы радиусом RT, зону уплотнения (пластических деформаций) глинистых пород радиусом R3n и зону упругих деформаций радиусом R . Проведенные исследования позволили установить, что зона уплотнения глинистых пород характеризуется увеличением предела прочности на одноосное сжатие и сцепления в 2,0-2,5 раза, увеличением плотности на 5-8 % и снижением пористости на 15-30 %. При этом
Рис. 111.13. Схема расположения зон остаточных деформаций в окрестности подземной выработки-емкости после камуфлетно- го взрыва:
1 - выработка-емкость; 2 - зона трещиноватости; 3 - зона пластических деформаций; 4 - зона упругих деформаций
отношение радиуса зоны уплотнения к радиусу образуемой выработки- емкости не зависит от масштаба взрыва и находится в пределах 3,0-3,5.
Сооружение выработок-емкостей в пластичных породах методом ка- муфлетных взрывов сопровождается интенсивным растрескиванием породного массива в зоне его уплотнения. В зависимости от физико-механических свойств породы и массы заряда ВВ размеры трещин могут изменяться как по величине раскрытия, так и по глубине распространения.
Анализ исследованных физических и механических свойств пород, структуры, минералогического состава и результаты опытных камуф- летных взрывов в отдельных разновидностях глинистых пород четвертичного и неогенового возраста позволили оценить основные закономерности изменения физико-механических свойств глинистых пород в пределах зоны их уплотнения камуфлетным взрывом и установить размеры этой зоны.
Изменение прочностных свойств глинистых пород в зоне уплотнения их взрывом с приемлемой точностью описывается зависимостями
°"г '°07 ,(III.22)
Г , а2
Ur~U0+~T7,(III.23)
е 2
где о0, Со - соответственно предел прочности и сцепление глинистых пород до взрыва, Па (например, для скифских глин о0 = 72,1-104 Па, Со = 4,9-104 Па); а^ а2, ф^ ф2 - эмпирические константы, зависящие от физико-механических свойств среды; о-, С- - соответственно предел проч
ности и сцепление глинистых пород на расстояние г от контура выработки-емкости, Па; г = г/гз - относительное расстояние от контура выработки-емкости; г - расстояние от контура выработки-емкости, м; г - радиус заряда, м.
Значения эмпирических констант:
для скифских глин
а1 = 6,6; а2 = 4,0; ф1 = 0,18; <р2 = 0,49;
для моренного суглинка
а1 = 6,9; а2 = 1,2; ф1 = 0,20; ф2 = 0,22.
Глинистые грунты в зависимости от своего физического состояния в той или иной степени обладают реологическими свойствами, т. е. проявляют способность развивать деформации ползучести и снижать свою прочность во времени. Именно поэтому уплотненные взрывом глинистые породы, вмещающие выработку-емкость, не обеспечивают ее длительной устойчивости даже при отсутствии трещиноватости, хотя, как было показано, приконтурная зона существенно ослаблена из-за развития радиальных и кольцевых трещин.
Экспериментальные исследования параметров трещин выполняли путем вскрытия подземных выработок-емкостей и визуального их осмотра. При этом подсчитывали число трещин, измеряли глубину их распространения в массиве породы и ширину раскрытия на контуре выработок-емкостей. Было вскрыто и обследовано в различных глинистых породах более 80 выработок-емкостей. Установлено, что радиальные трещины имеют непосредственный выход в выработку. Они расчленяют ее внутреннюю поверхность и приконтурную зону на отдельные блоки. Кольцевые трещины распространяются параллельно контуру выработки. Растрескивание грунтового массива происходит, в основном, за счет радиальных трещин, на долю которых приходится основной объем трещинной пустотности.
Для большинства исследованных пород зона распространения трещин не превышает 1,5-2,0 радиуса зарядов гз. Максимальная глубина их распространения (до Згз) наблюдается в сводовой части выработки, что оказывает существенное влияние на снижение ее устойчивости.
Установлено, что уплотненные взрывом глинистые породы, вмещающие подземную выработку, не обеспечивают ее длительную устойчивость на срок более 2-3 лет. Это подтверждают результаты наблюдений за 34-мя подземными резервуарами объемом 130-150 м3, созданными камуфлетными взрывами на глубине 24-28 м в идентичных условиях скифских глин. Из них семь резервуаров были заполнены светлыми нефтепродуктами, остальные не заполнялись. Накопленные за 12 лет данные по обследованию резервуаров и натурным наблюдениям за их состоянием были положены в основу теоретических пред-
ббРис. 111.14. Диаграммы устойчивости подземных выработок-емкостей в глинистых породах:
б
б
a - незаполненные нефтепродуктом выработки-емкости; б - заполненные нефтепродуктом выработки- емкости
ставлений о развитии деформаций в резервуарах, созданных взрывами камуфлетных зарядов ВВ.
Для примера на рис. 111.14 приведены диаграммы устойчивости незакрепленных подземных выработок-емкостей. Как видно из рис. 111.14, а, выработки-емкости, не заполненные продуктом, имеют определенную тенденцию к полному обрушению, т. е. процесс развития деформаций породных стенок не стабилизируется во времени. В более благоприятных условиях находились выработки-емкости, заполненные продуктом. За период наблюдений два из семи резервуаров сохраняли устойчивость (см. рис. 111.14, бу
Контроль за состоянием выработок-емкостей путем измерения высоты навала обрушенной породы дает возможность оценить лишь конечные результаты обрушения, тогда как для решения ряда задач необходимо знать механизм этого процесса. В связи с этим выполнен обмер выработок-емкостей светооптической дальномерной установ-
кой САУ-1Д. Выработки-емкости выбраны для обмера с таким расчетом, чтобы получить данные о их состоянии на различных стадиях обрушения.
Измерения проведены в горизонтальных сечениях выработок-емкостей с расстоянием между ними 0,5-1,0 м. Съемка сечений на каждом уровне выполнена путем фиксации радиуса выработки-емкости в 16-ти точках, что достигалось поворотом прибора на 22,5°. После соединения отложенных точек плавными кривыми получены контуры горизонтальных сечений подземных выработок-емкостей на данных глубинах. По результатам обмера построены поперечные сечения и разрезы (рис. III. 15). Разрезы построены по данным замеров в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (сплошная и пунктирная линии).
Анализ данных, приведенных на рис. 111.15, позволяет условно разделить деформацию выработок-емкостей натри фазы. На рис. 111.15, а показаны сечения выработки, находящейся в первой фазе обрушения - обрушение незначительно затронуло верхнюю часть выработки в области ее сопряжения с обсадной трубой. Вторая фаза (рис. 111.15, б) характеризуется интенсивным развитием вывалообразований из верхней сводовой части выработки, однако процесс вывалообразования не затрагивает ее средней части. В третьей фазе обрушения процесс вывалообра-
Рис. 111.15. Вертикальные разрезы и контуры поперечных сечений незакрепленных выработок-емкостей, образованных в скифских глинах, для первой (а), второй (б) и третьей (в) фаз обрушения
зования распространился практически на весь контур выработки-емкости (рис. 111.15, в).
Наблюдениями за устойчивостью подземных резервуаров, создаваемых методом камуфлетных взрывов, установлено, что уплотненные взрывом глинистые породы способны развивать под действием постоянного пластового давления деформации ползучести и снижать свою прочность во времени, причем этот процесс не стабилизируется. В большинстве разновидностей глинистых пород незакрепленные резервуары сохраняют устойчивое состояние до двух-трех лет. В наиболее благоприятных геологических условиях, например, в скифских глинах, отдельные резервуары сохраняют устойчивость 10-12 лет, однако и в этой разновидности глинистых пород интенсивность вывалообразова- ния не стабилизуется во времени.
Практика сооружения и результаты наблюдений за устойчивостью подземных выработок-емкостей, сооружаемых камуфлетными взрывами, показали, что их нельзя использовать в качестве хранилищ жидких углеводородов из-за отсутствия длительной устойчивости. От этих недостатков свободна технология сооружения подземных резервуаров камуфлетными взрывами через закрепленные шурфы (см. рис. III.2). Она наиболее универсальна, так как позволяет крепить выработки, обеспечивая их длительную устойчивость и надежность эксплуатации при хранении нефтепродуктов. Наиболее рационально крепление выработок набрызгбетоном, обеспечивающее максимальную быстроту возведения крепи при высокой степени механизации работ и позволяющее отказаться от опалубки.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Перечислите виды зон остаточных деформаций в окрестности выработки-емкости и назовите зависимости изменения прочностных свойств глинистых пород в зоне их уплотнения взрывом.
Укажите, как влияют реологические свойства глинистых пород, вмещающих выработку-емкость, на ее устойчивость.
Назовите время, в течение которого незакрепленные выработки- емкости сохраняют устойчивость.
Глава 4
Крепление выработок-емкостей иабрызебетоном
Общую картину достаточно сложного процесса нанесения набрызгбе- тона можно представить следующей физической моделью.
Сухая смесь, состоящая из частиц заполнителя (песок, гравий или щебень) и цемента, загружается в машину и по трубопроводу сжатым воздухом подается к соплу. Перед вылетом из сопла сухая смесь увлажняется водой и в виде полупластичной бетонной смеси наносится на рабочую поверхность.
В первый момент на бетонируемой поверхности образуется вязкий слой песчано-цементного раствора толщиной 5-10 мм, который заполняет все неровности, трещины и пустоты, омоноличивая прилегающий слой породы и обеспечивая тем самым плотный контакт набрыз- гбетона с бетонируемой поверхностью. Как показали наблюдения, омоноличенный слой трещиноватой породы Д1 может достигать 200 мм (рис. 111.16).
Рис. 111.16. Схема нанесения набрызгбетона на породные стенки выработки-емкостиРис. 111.16. Схема нанесения набрызгбетона на породные стенки выработки-емкостиОтскок 10-20%Отскок 10-20%
Рис. 111.16. Схема нанесения набрызгбетона на породные стенки выработки-емкости
Рис. 111.16. Схема нанесения набрызгбетона на породные стенки выработки-емкости
Отскок 10-20%
Отскок 10-20%
12121314131410111011Рис. 111.17. Схема установки крана КШ-1м для спуско-подъемных операций:1 - основание крана: 2 - выдвижные опоры; 3 - кабина; 4 - электронагреватель: 5 - органы управления краном; 6 - аварийный тормоз; 7 - лебедка; 8 - поворотная платформа; 9 - стрела; 10 - направляющее устройство каната; 11 - концевой выключатель; 12 - прицепное устройство; 13- бадья; 14- специальное приспособление для разгрузкиРис. 111.17. Схема установки крана КШ-1м для спуско-подъемных операций:1 - основание крана: 2 - выдвижные опоры; 3 - кабина; 4 - электронагреватель: 5 - органы управления краном; 6 - аварийный тормоз; 7 - лебедка; 8 - поворотная платформа; 9 - стрела; 10 - направляющее устройство каната; 11 - концевой выключатель; 12 - прицепное устройство; 13- бадья; 14- специальное приспособление для разгрузки5 6 7 8 95 6 7 8 9
12
12
13
14
13
14
10
11
10
11
Рис. 111.17. Схема установки крана КШ-1м для спуско-подъемных операций:
1 - основание крана: 2 - выдвижные опоры; 3 - кабина; 4 - электронагреватель: 5 - органы управления краном; 6 - аварийный тормоз; 7 - лебедка; 8 - поворотная платформа; 9 - стрела; 10 - направляющее устройство каната; 11 - концевой выключатель; 12 - прицепное устройство; 13- бадья; 14- специальное приспособление для разгрузки
Рис. 111.17. Схема установки крана КШ-1м для спуско-подъемных операций:
1 - основание крана: 2 - выдвижные опоры; 3 - кабина; 4 - электронагреватель: 5 - органы управления краном; 6 - аварийный тормоз; 7 - лебедка; 8 - поворотная платформа; 9 - стрела; 10 - направляющее устройство каната; 11 - концевой выключатель; 12 - прицепное устройство; 13- бадья; 14- специальное приспособление для разгрузки
5 6 7 8 9
5 6 7 8 9
По опытным данным, введение 1%-й добавки NaF увеличивает вязкость цементного раствора и уменьшает отскок (часть материала, отлетающего от бетонируемой поверхности) в 1,3 раза. Отскок представлен тощей бетонной смесью, состоящей из гравия (70-75 %), крупного песка (20-25 %) и цемента (5-10 %). Величина его зависит от технологических параметров нанесения, давления сжатого воздуха, наклона сопла, расстояния сопла от бетонируемой поверхности, вида и характера бетонируемой поверхности и составляет 10-20 % от массы сухой смеси.
По мере увеличения толщины песчано-цементного раствора в вязком слое начинают задерживаться все более крупные фракции не только песка, но и гравия (щебня), и постепенно процесс образования набрызгбе- тона стабилизируется при уменьшении отскока. В этом случае отдель-
ные фракции крупного заполнителя начинают проникать в слои раствора, преодолевая его сопротивление, и, израсходовав на это запас кинетической энергии, задерживаются в нем.
Внедрение набрызгбетонной крепи в горностроительную практику оказалось возможным после создания высокопроизводительных бетоншп- рицмашин, способных работать на заполнителях с крупностью фракций 25-30 мм.
После выполнения взрыва и проветривания выработки-емкости от продуктов детонации над устьем шурфа монтируется копер или устанавливается кран для спуска-подъема людей и материалов. На рис. 111.17 приведена схема установки крана КШ-1м для выполнения спускоподъемных операций. Комплекс оборудования для приготовления бетонной смеси и ее набрызга должен быть мобильным и обеспечивать минимум ручного труда и перегрузок материалов. Как вариант может быть предложена схема размещения оборудования, приведенная на рис. III. 18.
Рис. 111.18. Схема размещения оборудования для набрызга бетонной смеси:
1 - бетоншприцмашина; 2 - загрузочный ковш бетоншприцмашины; 3 - бетономешалка; 4 - загрузочный ковш бетономешалки; 5 - дозатор для песка и щебня; 6 - накопительные бункеры для песка и щебня; 7 - конвейер; 8 - расходные бункеры для песка и щебня; 9 - пластинчатый питатель; 10 - пандус для въезда самосвалов; 11 - щебень; 12- вибрационные грохоты; 13 -улавливающая сетка; 14 - дозатор цемента; 15 - шнековый питатель; 16 - бункер для цемента
Рис. 111.19. Технологическая схема размещения оборудования и материалов для крепления выработки-емкости:1 - компрессор; 2 - бетоншприцмашина БМ-60; 3 - конвейер; 4 - бетономешалка; 5 - песок, щебень; 6 - резервуар для воды с насосом и манометром; 7 - площадка; 8 - манипулятор; 9 - сопло; 10 -защитный кожух; 7/-обсадная труба; 12 -вентилятор; 73 - трубопровод сухой смеси; 74-трубопровод воды; 75 - аварийная лестница; 16 - ляда; 17 - стрела подъемника; 18 - бадья; 79 - окно смотровое; 20 - окно рабочееРис. 111.19. Технологическая схема размещения оборудования и материалов для крепления выработки-емкости:1 - компрессор; 2 - бетоншприцмашина БМ-60; 3 - конвейер; 4 - бетономешалка; 5 - песок, щебень; 6 - резервуар для воды с насосом и манометром; 7 - площадка; 8 - манипулятор; 9 - сопло; 10 -защитный кожух; 7/-обсадная труба; 12 -вентилятор; 73 - трубопровод сухой смеси; 74-трубопровод воды; 75 - аварийная лестница; 16 - ляда; 17 - стрела подъемника; 18 - бадья; 79 - окно смотровое; 20 - окно рабочее
Рис. 111.19. Технологическая схема размещения оборудования и материалов для крепления выработки-емкости:
1 - компрессор; 2 - бетоншприцмашина БМ-60; 3 - конвейер; 4 - бетономешалка; 5 - песок, щебень; 6 - резервуар для воды с насосом и манометром; 7 - площадка; 8 - манипулятор; 9 - сопло; 10 -защитный кожух; 7/-обсадная труба; 12 -вентилятор; 73 - трубопровод сухой смеси; 74-трубопровод воды; 75 - аварийная лестница; 16 - ляда; 17 - стрела подъемника; 18 - бадья; 79 - окно смотровое; 20 - окно рабочее
Рис. 111.19. Технологическая схема размещения оборудования и материалов для крепления выработки-емкости:
1 - компрессор; 2 - бетоншприцмашина БМ-60; 3 - конвейер; 4 - бетономешалка; 5 - песок, щебень; 6 - резервуар для воды с насосом и манометром; 7 - площадка; 8 - манипулятор; 9 - сопло; 10 -защитный кожух; 7/-обсадная труба; 12 -вентилятор; 73 - трубопровод сухой смеси; 74-трубопровод воды; 75 - аварийная лестница; 16 - ляда; 17 - стрела подъемника; 18 - бадья; 79 - окно смотровое; 20 - окно рабочее
Технологические операции по креплению выработок-емкостей на- брызгбетоном выполняются в определенной последовательности (рис. 111.19). Тщательно перемешанную сухую смесь (цемент, песок и крупный заполнитель) по ленточному конвейеру подают в бетоншприц- машину, например, БМ-68, из которой под давлением сжатого воздуха она поступает по шлангам в сопло. Давление воздуха в бетоншп- рицмашине, как правило, не превышает 24,5-104 Па и контролируется электроконтактным манометром, соединенным с пускателем электродвигателя и отрегулированным таким образом, что при повышении давления в рабочей камере сверх установленного на (0,98+1,96)104 Па происходит автоматическое выключение электродвигателя. Одновременно с подачей сухой смеси к соплу по специальному шлангу подводят воду, которая увлажняет смесь (водоцементное отношение составляет, как правило, 0,4-0,45).
Практика строительства подземных резервуаров показала, что мак- сиальная толщина слоя набрызгбетона, наносимого за один прием, не должна превышать 0,07 м. Наиболее рациональным является метод ведения работ, когда каждый последующий слой наносится через 15-20 мин после нанесения предыдущего. Операции по управлению бетоншприц-
Рис. 111.20. Схема установки маяков:1 - стальной стержень (маяк);2 - стенка полости; 3 - гайка;4 - войлочное или резиновое уплотнение; 5 - отверстия для регулирования высоты маяка;6 - палец; 7 - отрезок трубыРис. 111.20. Схема установки маяков:1 - стальной стержень (маяк);2 - стенка полости; 3 - гайка;4 - войлочное или резиновое уплотнение; 5 - отверстия для регулирования высоты маяка;6 - палец; 7 - отрезок трубы
Рис. 111.20. Схема установки маяков:
1 - стальной стержень (маяк);
2 - стенка полости; 3 - гайка;
4 - войлочное или резиновое уплотнение; 5 - отверстия для регулирования высоты маяка;
6 - палец; 7 - отрезок трубы
Рис. 111.20. Схема установки маяков:
1 - стальной стержень (маяк);
2 - стенка полости; 3 - гайка;
4 - войлочное или резиновое уплотнение; 5 - отверстия для регулирования высоты маяка;
6 - палец; 7 - отрезок трубы
машиной выполняют в последовательности, предусмотренной правилами ее эксплуатации. До начала работ по креплению выработок устанавливают временную инвентарную крепь (см. рис. 111.19). Крепь представляет собой защитный кожух из стальной трубы диаметром 920 мм с толщиной стенки 7 мм и длиной 6 м. К нижнему концу трубы приварено дно с упором для центрирования и фиксации кожуха. На боковой поверхности кожуха для выполнения крепежных работ вырезаны окна размером 300x500 мм и смотровые окна диаметром 300 мм.
Для контроля толщины набрызгбетонной крепи на стенках выработки необходмо закрепить на расстоянии 1,5 м один от другого маяки, выполненные в виде стальных заостренных штырей диаметром 10 мм. Маяки устанавливают при помощи отрезка трубы, снабженного на конце зажимным устройством (рис. III.20).
Набрызгбетонную крепь возводят, как правило, снизу вверх, причем в нижней половине выработки-емкости бетонную смесь укладывают в один прием до проектной толщины крепи, в верхней - послойно при толщине одновременно наносимого слоя 20-70 мм. Каждый последующий слой наносится не ранее чем через 20 мин после укладки предыдущего.
Работы по возведению набрызгбетонной крепи подземных выработок-емкостей выполняются комплексной бригадой в составе: рабочий, его помощник, оператор бетоншприцмашины (он же бригадир), машинист бетономешалки, машинист компрессорной станции и подсобные рабочие.
По окончании работы, а также при перерыве более 40 мин питатель бетоншприцмашины и материальный шланг должны быть продуты воздухом, а сопло и смесительная камера разобраны, промыты водой и про-
сушены. Уложенный бетон необходимо в течение 2-3 сут поддерживать во влажном состоянии, периодически орошая его водой.
Разработанная и апробированная в натурных условиях технология крепления выработок- емкостей набрызгбетоном при ручном нанесении имеет ряд недостатков. К основным из них относятся: необходимость работы в выработке-емкости людей и сооружения временной крепи для обеспечения их безопасности; при значительной механизации процесса возведения набрызгбетонной крепи сохраняется большая доля тяжелого ручного труда.
Наиболее перспективным направлением совершенствования этого способа является разработка механизированной технологии с применением автоматического устройства, дистанционно управляемого с поверхности земли, для возведения набрызгбетонной крепи. Разработан опытный образец такого устройства и осуществлен комплекс работ по дистанционному возведению набрызгбетонной крепи в заводских и натурных условиях.
Рабочий орган установки состоит из привода, размещенного в цилиндре диаметром 430 мм, длиной 6 м, системы вращающихся трубопроводов для подачи аэровзвеси в пределах рабочего органа и бетонируемой выработки-емкости, камеры для передачи затворителя, программного устройства и электропривода. В комплект оборудования входит наземный комплекс, состоящий из подъемника рабочего органа, бетоншприц- машины непрерывного действия для питания рабочего органа аэровзвесью сухой смеси, размещаемой на двухосном прицепе, и другое вспомогательное оборудование (рис. 111.21).
Перед спуском рабочего органа в выработку-емкость проводится его наладка (проверка работоспособности привода, конечных выключателей токосъемника, запитки электропневмозолотников, датчиков, состояния механического и электромеханического оборудования, входящего в конструкцию рабочего органа и вспомогательного оборудования). Затем рабочий орган установки опускают в выработку-емкость на заданную глубину. Корпус рабочего органа раскрепляется в трубе эксцентриковыми захватами 7(см. рис. 111.21). Набрызгбетонной смеси выполняется следующим образом. Подается сжатый воздух от компрессора, например, АК-10, через воздухосборник В-4. Давление воздуха в воздухосборнике не должно превышать 6,06-105 Па, расход 9
м3/мин. Далее подается затворитель с заранее оттарированным расходом, в течение 1-2 с подается сухая смесь (включается бетоншп- рицмашина непрерывного действия БМ-68), с выдержкой 1-2 с включается в работу программное устройство и запускается привод рабочего органа. След факела набрызгиваемой бетонной смеси движется по винтовой спирали с линейной скоростью 0,1-0,15 м/с. При этом вершины двух соседних витков полос находится на расстоянии 0,15м один от другого. Этим обеспечивается перекрытие полос, т. е. сплошность возводимой крепи.
При вращении центральной трубы рабочего органа происходит подъем сопла с постоянной угловой скоростью. При достижении соплом крайнего верхнего положения происходит остановка рабочего органа, затем выполняется реверс его до исходного положения.
Расчет набрызгбетонной крепи
Необходимость учета совместной работы набрызгбетона и породы, неровностей его покрытия, повторяющего контур выработки, а также разнообразие свойств горных пород обусловливают сложность расчета такой крепи.
Существующие методы расчета набрызгбетонной крепи отличаются разнообразием, как правило, носят эмпирический характер и не учитывают всех особенностей статической работы системы крепь - порода.
Для расчета толщины набрызгбетонной крепи в основном рекомендуют методику, основанную на теории изгиба тонких плит от равномерной нагрузки. При строительстве подземных резервуаров в слабых породах крепь предполагается замкнутой по всему контуру выработки. В этом случае расчетные схемы набрызгбетонной крепи должны отличаться от тех, которые применяются для скальных пород. Такую крепь рассчитывают на наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок, определяемых по данным экспериментов, либо по действующим нормативным документам.
Рис. III.22. Графики для определения толщины набрызгбетонной крепи для сферических выработок-емкостей диаметром 7, 5 и 3 м при использовании бетона марок М300, М400, М500
На основании проведенных расчетов для практического использования построены зависимости толщины набрызгбетонной оболочки от нагрузки для различных марок набрызгбетона (рис. 111.22).
Организация строительства
Строительство подземных резервуаров можно начинать лишь после обустройства строительной площадки, завоза и подготовки передвижных жилых вагонов, материалов и необходимого оборудования, возведения помещений для бытовых и производственных нужд строительства.
Сроки производства буровых и взрывных работ должны быть увязаны с временем получения разрешения на доставку взрывчатых материалов (ВМ) с пункта их получения. При бурении и взрывании необходимо предусматривать бесперебойное снабжение площадки строительства водой. После окончания бурения и обсадки шурфов (скважин) приступают к взрывным работам.
Перед началом взрывных работ граница опасной зоны отмечается на местности предупредительными знаками, намечаются посты охраны опасной зоны во время взрыва, место временного хранения ВМ и подготовки средств взрывания (СВ). Взрывные работы ведутся в полном соответствии с утвержденным проектом и согласно Единым правилам безопасности при взрывных работах.
К моменту окончания взрывных работ должны быть подготовлены технологическое оборудование и материалы для крепления выработок-емкостей набрызгбетоном и смонтирована вентиляционная нагнетательная система, обеспечивающая подачу расчетного количества воздуха. После монтажа вентиляционной системы над устьем шурфа монтируется копер облегченной конструкции для спуска-подъема людей и материалов. Конструкция копра должна предусматривать возможность его быстрой разборки и сборки.
Комплекс оборудования для приготовления бетонной смеси и ее на- брызга должен быть мобильным и обеспечивать минимум затрат ручного труда и перегрузок материалов.
После окончания работ по креплению выработок-емкостей должно быть подготовлено технологическое оборудование хранилища (насосы, арматура, трубопроводы и др.). Диаметр трубопроводов должен обес-
печивать перекачку нефтепродуктов в необходимых объемах (с учетом действующих норм слива и налива) и определяется в каждом конкретном случае гидравлическими расчетами.
Сварочно-монтажные работы выполняют на специальных подмостках, где подготавливают насосное оборудование, сваривают трубы в секции, выполняют монтаж оголовков резервуаров. Сваренные секции труб раскладывают, а насосы опускают в резервуар. После сварки стыков трубопроводы подвергают гидравлической опрессовке, выполняют залив хранимого продукта и пробную его перекачку.
После завершения работ по строительству подземных резервуаров временные сооружения разбирают. Перед заливом продукта территория хранилища ограждается с установкой предупредительных знаков.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Изложите сущность физической модели процесса нанесения на- брызгбетона на стенки выработок-емкостей.
Назовите последовательность технологических операций по креплению выработок-емкостей набрызгбетоном.
Используя график, найдите толщину набрызгбетонной крепи для сферической выработки-емкости диаметром 7 м.
Глава 5
ODnaciah ирименения i примеры строительства подземных резервуаров методом камдфлетных взрывов
Энергия камуфлетного взрыва практически мгновенно создает выра- ботку-емкость в соответствующих геологических условиях. Специфика строительства подземных резервуаров обусловливает и характерные области их применения.
Хранение жидких углеводородов. Последние годы характеризуются резким увеличением механизации ряда отраслей промышленности и особенно сельского хозяйства. Одной из важнейших задач является надежное обеспечение отдаленных сельских районов нефтепродуктами. В то же время, строительство многочисленных, но небольших по объему баз нефтепродуктов, состоящих из металлических резервуаров, экономически малоэффективно, а доставка топлива на значительные расстояния в условиях весенней и осенней распутицы крайне затруднена. Решение этой задачи оказывается возможным, если нефтепродукты хранить в подземных резервуарах, сооружаемых камуфлетными взрывами. Замена стальных резервуаров подземными вызывает необходимость обеспечения длительной устойчивости последних (не менее 20 лет). Для этого выработки-емкости крепят набрызгбетоном.
Наиболее рационально хранение жидких углеводородов в подземных резервуарах, сооружаемых камуфлетными взрывами на небольших по объему кустовых нефтебазах, автозаправочных станциях, а также перевалочных и распределительных базах хранения. Они могут функционировать в качестве оперативных баз и баз долговременного хранения.
Захоронение токсичных промышленных отходов в подземных резервуарах может уменьшить опасность загрязнения природной среды. Подземное захоронение твердых и пастообразных токсичных отходов наиболее эффективно в резервуарах, сооружаемых в пластичных глинистых породах камуфлетными взрывами (рис. 111.23).
Поскольку глинистые породы практически непроницаемы и характеризуются высокими обменными и адсорбционными свойствами, надежность изоляции токсичных веществ обеспечивается достаточной мощностью глинистого экрана, препятствующего миграции токсичных ве-
Рис. 111.23. Схема захоронения промышленных отходов в подземных резервуарах:
1 - твердые отходы; 2 - комбинированные отходы; 3 - жидкие отходы
ществ из подземного резервуара на поверхность земли и в водоносные горизонты. Расчетные данные показали, что глинистый экран мощностью несколько метров вокруг подземного резервуара обеспечивает надежную изоляцию токсичных веществ от окружающей биосферы.
Оценка инженерно-геологических условий сооружения подземных резервуаров камуфлетными взрывами показывает, что пригодными могут быть глинистые породы, залегающие, как правило, в зоне аэрации. В связи с этим такие резервуары можно использовать лишь для захоронения твердых токсичных отходов. При их захоронении значительно снижаются требования к устойчивости подземных выработок-емкостей, а необходимость их крепления, как правило, отсутствует. Строительство подземных резервуаров может выполняться через буровые скважины и шурфы.
При этом сам по себе процесс загрузки резервуара промышленными отходами с заполнителем из пластично-вязкого глинистого раствора (см. рис. III.3 и III.23) является строительным процессом, аналогичным поддержанию горных выработок способом «закладки».
Возраст
Литологическая колонка
Мощность, м
Описание грунтов
0,4-0,9
Почвенно-растительный слой
dQ3
4-5
Суглинки тяжелые, пылеватые, лессовидные, желто-бурые, переходящие в глины с гумусированными прослоями, макропористые с черво- и корнеходами
dQa-a
Погребенный почвенный горизонт
dQ2
3-5
Суглинки тяжелые, пылеватые, лессовидные, желтовато-коричневые, макропористые с прослоями глин пылеватых, красновато-коричневых, лессовидных с черво- и корнеходами, растительными остатками, карбонатными конкрециями, железо-магниевыми бобовинами
Погребенный почвенный горизонт
2,2-4,5
Суглинки тяжелые, пылеватые, желтовато-бурые, лессовидные, пятнистые, переходят в коричневатые и бурые глины, отмечаются известковистые конкреции, пустоты выщелачивания
dQj.g
Погребенный почвенный гсчоизонт
dQ,
4-7
Суглинки тяжелые, пылеватые, лессовидные, желтовато-коричневые, в подошве залегает слой, обогащенный известковистыми стяжениями
2-4
Переслаивание суглинков тяжелых, пылеватых и глин пылеватых, лессовидных, желтовато-серых и палевых
Отмечаются железо-марганцевые бобовины и гумусовые примазки
NZS
8-10
Суглинки тяжелые, пылеватые, лессовидные, опесчаненные с прослоями глин пылеватых, ожелезненных. Окраска пород постепенно изменяется от коричнево- до красновато-бурой. Встречаются червоходы, марганцевые бобовины, рассеянные известковые стяжения, горизонты, обогащенные карбонатными конкрециями
4-5
Суглинки легкие и средние, опесчаненные, красновато-бурые, кирпично-красные, переходящие в супеси желтовато-коричневые, пятнистые, неравномерно ожелезненные
2-2,5
Суглинки тяжелые, пылеватые, опесчаненные, пестроцветные, кирпично-красные с зеленовато-серыми и голубоватыми пятнами
N2t
2,5-3
Глины опесчаненные, пестроцветные, розовато- и зеленовато-серые с красными и зелеными пятнами, с прослоями суглинка зеленоватосерого с линзами и гнездами серого и желтого песка
Петаник глинистый, серовато-зеленый с ржавыми пятнами, рыхлый, водоносный
Рис. 111.24. Сводный литолого-стратиграфический разрез участка сооружения подземных резервуаров в скифских глинах
При сооружении таких объектов особое внимание следует обращать на надежную изоляцию пород, залегающих выше кровли подземного резервуара. Контроль за состоянием нижнего охранного целика осуществляется посредством систематического отбора проб подземных
вод из режимных наблюдательных скважин и их анализа на содержание токсичных веществ. Распространение загрязнения в породном массиве изучается путем анализа проб грунта, отбираемых при бурении контрольных скважин.
Основной объем опытных и опытно-промышленных резервуаров, сооруженных методом камуфлетных взрывов, приходится на скифские глины, моренные суглинки, а также на неогеновые глины. В этих резервуарах осуществляли как хранение жидких углеводородов, так и захоронение токсичных веществ.
Рассмотрим инженерно-геологические условия участков сооружения подземных резервуаров и их основные технологические параметры.
Участок строительства подземных резервуаров (скифские глины) представлен тяжелыми суглинками красно-бурого и желто-бурого цвета, переходящими в глинистые разности (N2S) с большим количеством известковых образований, гальки и щебня, известняка (рис. 111.24). Характерно присутствие в разрезе глинистых пород дендритов марганцево-железистых соединений, а также кристаллов и друз гипса. Мощность глин на исследованной площадке составляет 30-40 м. Основные физико-механические свойства глинистых пород на участке строительства приведены в табл. 111.3.
В толще скифских глин на глубине 24-28 м методом камуфлетных взрывов через буровые скважины созданы 34 опытные выработки-емкости объемом 100-150 м3 каждая. Скважины бурили станками УРБ-2Т и УРЕЗАМ. Начальный диаметр скважин (см. рис. III.3) составлял 395 мм, глубина скважин 18,0-20,5 м. После обсадки стальными трубами диамет-
Таблица 111.3
Основные физико-механические свойства глинистых пород на участке строительства
Порода
Естественная влажность, %
Число пластичности
Плотность (объемная масса), т/м3
Консистенция
Показатель естественной уплотненности
влажного грунта
скелета грунта
Суглинки
20,1
28,6
1,94
1,85
+0,04
0,95
Скифские глины
17,0
25,2
2,01
1,80
+0,02
0,94
ром 325 мм и цементации затрубного пространства скважины углубляли до 28,1 м. Диаметр необсаженной части скважин составлял 295 мм. На забое необсаженной части скважин взрывами прострелочных зарядов создавали котловую полость, в которую помещали основной заряд ВВ. При создании выработок-емкостей использовали сосредоточенные заряды гранулированного тротила массой 370-670 кг. В качестве забойки применяли воду, которую заливали в скважины до их устьев. Радиус образованных взрывами выработок-емкостей составлял 2,8-3,3 м.
Для откачки продукта выработки-емкости были оборудованы струйными установками, а оголовки скважин обвязаны технологическими трубопроводами. Из общего числа семь выработок-емкостей было залито нефтепродуктами. Хранение их в незакрепленных выработках-емкостях показало, что они устойчивы в течение трех-пяти лет. Причем определить заранее их устойчивость практически невозможно, что исключает возможность надежной эксплуатации хранилищ.
Устранение этих недостатков, как было показано выше, обеспечивает технология сооружения подземных резервуаров через шурфы с применением набрызгбетонной крепи (см. рис. 111.19). Технологию строительства подземных резервуаров через шурфы и их закрепление набрызгбе- тоном опробовали на площадке, где ранее были созданы выработки-емкости через буровые скважины.
Шурфы пройдены копателем шахтных колодцев КШК-30. Начальный диаметр шурфов составлял 1,25 м (см. рис. III.2), глубина в зависимости от объема резервуаров достигала 12,0-21,7 м. Шурфы крепили стальными трубами или железобетонными кольцами, внутренний диа-
Пористость, %
Коэффициент пористости
Степень водо- насыщения
Полная молекулярная влагоем- кость, %
Предел прочности на одноосное сжатие, 104Па
Сцепление, 104 Па
Показатель простреливаемое™, мэ/кг
41,0
0,70
0,70
23
57,9
-
0,30
36,8
0,62
0,77
20
72,1
53
0,23
Таблица 111.4
Основные технологические параметры закрепленных набрызгбетоном подзем
Номер резервуара
Параметры шурфов
Масса заряда
ВВ, кг
Объем резервуара, м3
Глубина, м
Длина закрепленной части, м
1
14,0
12,0
80
18,5
2
23,5
18,0
320
70
3
22,5
18,5
334
62
4
25,1
20,6
500
105
5
25,0
20,9
500
100
6
25,4
21,7
500
120
7
24,5
20,4
535
120
8
25,0
20,0
534
120
метр которых составлял 1 м, а закрепное пространство цементировали. Дальнейшую проходку шурфов осуществляли диаметром 0,8 м до глубины заложения заряда ВВ (14,0-25,4 м). На забое незакрепленной части шурфов размещали сосредоточенные заряды аммонита № 6ЖВ, устраивали гидрозабойку и производили взрывы. После сооружения выработок-емкостей обеспечивали их вентиляцию и возводили набрызгбетон- ную крепь (см. рис. 111.19).
Основные технологические параметры закрепленных набрызгбетоном подземных резервуаров, созданных камуфлетными взрывами в скифских глинах, приведены в табл. III.4.
Толщина набрызгбетонной крепи составляла 100-150 мм. Для крепления выработок-емкостей использовали портландцемент марки 500, песок крупностью 2,5-3,1 мм и щебень, максимальная крупность которого не превышала 15 мм. В качестве добавки для ускорения сроков схватывания и затвердевания набрызгбетона использовали жидкое натриевое стекло.
Технологическое обустройство подземных резервуаров состояло в оборудовании их струйными насосами, трубопроводами для залива топлива, люками для замера уровня топлива и отбора проб, запорной и дыхательной арматурой, атакжетрубопроводами, соединяющими подземные резервуары между собой, и расходным резервуаром (рис. III.25).
ных резервуаров, созданных камуфлетными взрывами в скифских глинах
Глубина почвы полости после взрыва, м
«4 ^иФ«’''ай®^Ай * TiKWtt W"9>s®№%i
Показатель прострелива- емости,м3/кг
Плотность заряжания, т/м3
Тип ВВ|
15,5
0,23
0,80
Аммонит Ns 6ЖВ(
26,7
0,22
0,80
24,4
0,19
0,25
Граммонит 79/21(
27,1
0,21
0,80
Аммонит № 6ЖВ
1
27,6
0,20
0,14
27,6
0,24
0,80
26,8
0,22
0,80
Граммонит (79/21—495 кг), аммонит 1
№6ЖВ(40кг)|
27,0
0,22
0,80
Граммонит (79/21-454 кг), аммонит 1
№6ЖВ(80кг)I
Трубопроводы проложены по стальным опорам на высоте 0,5 м от поверхности земли с уклоном в сторону подземных резервуаров не менее 0,003. К подземным резервуарам топливо доставлялось автотранспортом, слив - самотеком. В качестве расходного (буферного) использует-
Рис. 111.25. Технологическая схема эксплуатации двух подземных резервуаров с использованием струйных насосов:
/ - подземная выработка-емкость, закрепленная набрызгбетоном; 2 - струйный насос; 3 - центробежный насос; 4 - буферная емкость (V = 25 м3); 5 - бензозаправочная колонка
Рис. 111.26. Схема струйных установок в подземных резервуарах, образованных камуфлетным взрывом:
1 - струйный насос; 2- центробежный насос; 3 - кран проходной
ся горизонтальный резервуар объемом 25 м3, оборудованный дыхательной арматурой и трубой залива топлива. Во избежание искрообразова- ния от статического электричества расходный резервуар заполняется топливом под слой жидкости, для чего конец заливной трубы установлен на высоте 100 мм от дна резервуара. Дизельное топливо отбирается из подземных резервуаров струйными насосами В2-6. Для подачи рабочей жидкости к струйному насосу на поверхности земли установлены два насоса СЦЛ-20-24-а, один из которых резервный. Основным элементом струйной установки подземных резервуаров является струйный насос, погруженный в хранимый продукт (рис. III.26, а). Рабочая жидкость центробежным насосом подается в струйный насос, где она проходит через небольшие отверстия в насадке и с большей скоростью в виде струи поступает в камеру смешения. Из камеры смешения поток топлива поступает в диффузор, где происходит преобразование кинетической энергии движения в потенциальную энергию давления. Давление смеси повышается до давления в выходном сечении струйного аппарата и превышает давление эжектируемой среды. Затем эжектируемый поток поступает на поверхность земли, и жидкость подается потребителю, а часть ее в виде рабочей жидкости подается к струйному насосу.
В случае эксплуатации хранилища, состоящего из группы подземных резервуаров для нефтепродуктов, когда один центробежный насос, установленный на поверхности земли, обеспечивает поочередное или групповое действие погруженных в резервуары эжекторов, применение струйных установок особенно эффективно (рис. 111.26, б).
Для эксплуатации подземных хранилищ в качестве центробежного насоса использована передвижная насосная станция ПСГ-60/130, подключаемая к наземному трубопроводу на участке расположения резервуаров, из которых отбирали нефтепродукт. Подача центробежного насоса передвижной станции допускает одновременную работу двух и трех струйных насосов. Техническая характеристика струйной установки приведена ниже.
Условия эксплуатации
Глубина заложения резервуара, м28
Хранимый продуктДизельноетопливо
Подача центробежного насоса ПСГ-60/130, м3/ч58
Напор, м вод. ст. 88
Параметры струйной установки В2-6 Размеры поперечного сечения, мм90x150
Диаметр рабочего отверстия насадки, мм 11
Расход жидкости на один струйный насос, м3/ч: рабочей 13,5
эжектируемой 14,5
Коэффициент подмешивания 1,07
Расход жидкости на два струйных насоса, м3/ч: рабочей33
эжектируемой27
Коэффициент подмешивания0,82
На рис. III.27 приведено технологическое оборудование резервуара № 6 (см. табл. Ill .4) объемом 120 м3. Для отбора топлива в резервуаре установлен погружной насос 12НА-9х4 с электродвигателем над шурфом. Подача насоса 50 м3/ч, напор 40 м вод. ст., мощность электродвигателя 17 кВт.
Участок сооружения подземных резервуаров для захоронения в скифских глинах пришедших в негодность ядохимикатов. Участок
ААВид БВид БВидАВидА440 10000 1000-2 3-2 3Рис. 111.27. Схема технологического оборудования резервуара № 6, за- репленного набрызгбетоном, сооруженного камуфлетным взрывом в скифских глинах:
А
А
Вид Б
Вид Б
ВидА
ВидА
4
4
0 1000
0 1000
-2 3
-2 3
/ - клапан предохранительный; 2 - колпак; 3 - огневой предохранитель; 4 - заглушка;
5 - указатель уровня; 6 - заливная труба; 7 - погружной насос; 8 - набрызгбетонная крепь; 9 - задвижка; 10 - электродвигатель; 11 -- клапан дыхательный; 12 - люк для отбора проб
строительства расположен в 5 км на северо-восток от рассмотренной площадки. Рабочая толща участка представлена скифскими глинами (см. рис. 111.24), причем рабочая толща глинистых пород выбрана в интервале 22-31 м, глубина заложения сосредоточенных зарядов ВВ - 27 м. Отметка дна резервуаров после взрыва не превышала 29 м.
Подземные резервуары сооружали через шурфы, проходка которых велась станком КШК-30. Масса сосредоточенных зарядов ВВ в зависимости от требуемого объема резервуаров изменялась в пределах 540- 1000 кг. Объем единичной выработки-емкости - 120-220 м3. Заряды аммонита № 6ЖВ детонировали при помощи детонирующего шнура (ДШ).
Участок строительства подземных резервуаров в моренных суглинках. Мощность толщи моренных суглинков на исследованной
Возраст
Литологическая I Мощность, м колонка
Описание фунтов
pdQ»
Почвенно-растительный слой
dlQ3
1-24
Суглинки тяжелые, желтовато- и серовато-коричневые, местами ожелезненные с остатками ооганики. макоопооистые, тугопластичные
gi — 0з
30 м
Суглинки легкие, красновато-коричневые с линзами и гнездами глауконитового песка и тонкими прослоями супесей тяжелых, участками ожелезненных; содержат включения гравия, дресвы, щебня и отдельных валунов, образующих иногда горизонты; в верхней части полутвердые, в нижней - твердые
Рис. 111.28. Сводный геологический разрез моренных суглинков
площадке не превышает 30 м (рис. 111.28). По гранулометрической характеристике суглинки относятся к грубодисперсным грунтам с содержанием гравийных и песчаных фракций до 50 %. При бурении скважин в интервале 10-25 м встретился валунный материал. Усредненные значения основных физико-механических свойств рабочей толщи моренного суглинка (12-30 м): естественная влажность 10,5 %; число пластичности 8; плотность влажного грунта 2,13 т/м3, консистенция -0,18; показатель естественной уплотненности 1,19; пористость 30 %, коэффициент пористости 0,43; степень водонасыщения 0,74; полная молекулярная влагоемкость 15,4%; предел прочности на одноосное сжатие 2,3-105 Па; сцепление 4,5-104 Па; показатель простреливаемости 0,2 м3/кг.
Подземные выработки-емкости в моренных суглинках сооружали через буровые скважины диаметром 240-300 мм. В качестве ВВ использованы отходы пироксилинового пороха, аммонит № 6ЖВ и др. Основные параметры подземных резервуаров, в которых хранили светлые нефтепродукты, приведены в табл. III.5.
Таблица 111.5
Основные параметры подземных резервуаров, сооруженных камуфлетными взрывами в моренных суглинках для хранения светлых нефтепроводов
Параметры скважины, м
Масса заряда ВВ, кг
Объем, м3
Глубина
Длина обсаженной части
19,5
13,9
454,5
100
19,6
13,9
467,5
100
19,6
13,9
588,5
120
21,9
18,0
357,0
70
22,0
18,0
539,0
100
Отбор продукта осуществляли струйными установками, аналогичными описанным (см. рис. 111.25 и 111.26).
Незакрепленные выработки-емкости в моренных суглинках, как и в скифских глинах, оказались неустойчивы во времени. Срок их службы не превысил трех лет.
Участок сооружения подземных резервуаров в неогеновых глинах рудного горизонта. Геологическое строение участка (до 50 м) представляют отложения рудного горизонта неогена и маломощные четвертичные отложения (рис. 111.29). По физико-механическим свойствам верхняя часть разреза (суглинки и желто-бурые глины на глубине 10-15 м) характеризуется большим коэффициентом пористости, чем нижняя толща глин. В этой части разреза шурфами вскрыты водопроявления типа «верховодка». Уровень грунтовых вод 3,0-3,5 м. Глубина заложения подземных резервуаров в соответствии с данными инженерно-геологических изысканий установлена в интервале 25-30 м.
Усредненные значения основных физико-механических свойств рабочей толщи неогеновых глин (15-45 м): ествественная влажность 29,4 %; число пластичности 24; плотность влажного грунта 1,9 т/м3; плотность скелета грунта 1,5 т/м3; консистенция -0,19; показатель естественной уплотненности 1,14; пористость 45,7 %; коэффициент пористости 0,87; степень водонасыщения 0,95; полная молекулярная влагоемкость 30,4 %; коэффициент фильтрации < 10'7 см/с; показатель простреливаемости 0,2-0,08 м3/кг.
На выбранном участке методом камуфлетных взрывов сооружено 40 подземных резервуаров, в которых захоронено более 2 тыс. т пришед-
Возраст
Пачка
Литологическая колонка
Мощность, м
Описание грунтов
04
0,3-0,4
Почвенно-растительный слой
0,9-1,0
Суглинки средние, пылеватые, переходящие в суглинки тяжелые, пылеватые, желто-бурые, гумусированные, макропоритые с червоходами
X о со
X О. О
3 X
>.
О.
X ф
о ф
X
1
1,1-2,7
Глины пылеватые, желто-бурые с прослоями суглинков тяжелых и средних, пылеватых с карбонатными включениями, червоходами, гнездами гипса
3-9,6
Глины пылеватые, желтовато-серые с пылеватыми налетами и тонкими прослоечками песчаника и суглинков средних, пылеватых с редкими карбонатными включениями, неясно-слоистые, влажные, плотные, твердые
6-8
Переслаивание глин пылеватых, зеленовато-голубовато-желтоватосерых с включением отдельных прослоев суглинков зеленовато- желтых и песчаников ожелезненных, породы плотные, твердые
III
28-36
Глины пылеватые, темно-серые с голубоватым оттенком, в нижней части почти черные с пылеватыми присыпками по плоскостям наслоения, участками буроватые за счет ожелезнения, содержат редкие конкреции сидерита, иногда трещиноватые, плотные, твердые
Рис. 111.29. Сводный геологический разрез глин рудного горизонта Краснодарского края
ших в негодность ядохимикатов. Для сооружения подземных резервуаров станками КШК-30 бурили шурфы до глубины 29 м и взрывали сосредоточенные заряды аммонита № 6ЖВ массой до 750 кг. В качестве забоечного материала использовали гидрозабойку. До глубины 22 м шурфы бурили диаметром 1300 мм и обсаживали металлическими трубами диаметром 1020 мм. Диаметр необсаженной части шурфа в интервале 22-29 м составлял 800 мм.
Обсадную колонну опускали в шурф при помощи автокрана грузоподъемностью не менее 7 т. В интервале 17-22 м затрубное пространство шурфа цементировалось. Цементный раствор заливали с поверхности земли по трубе диаметром 50-80 мм, опущенной в зазор между обсадной трубой и стенкой шурфа на глубину 17,2-17,5 м.
Уровень загрузки ядохимикатов не превышал 21 м. После загрузки подземных резервуаров твердыми токсичными отходами осуществляли их консервацию. Плотную загрузку ими подземных резервуаров и ликвидацию пустот в выработке обеспечивали нагнетанием глинистого раствора. Влажность глинистого раствора была на 1 -2 % больше верхнего предела пластичности И/ (вязко-текучая консистенция).
Тампонаж шурфа по окончании загрузки токсичных отходов в подземный резервуар включал следующие операции: заполнение шурфа утрамбованным глинистым грунтом, окапывание и срезку обсадных труб на глубине 1,7 м; засыпку котлована до поверхности земли утрамбованным глинистым грунтом; установку реперов по оси угловых шурфов на поверхности земли.
После завершения строительных работ и захоронения пришедших в негодность ядохимикатов в подземные резервуары пахотные земли были переданы для дальнейшего землепользования. Проведенные работы показали, что способ подземного захоронения отвечает современным требованиям охраны окружающей среды при высокой экономической эффективности.
Вопросы для самостоятельной подготовки
Назовите область применения подземных резервуаров, сооружаемых камуфлетными взрывами.
Дайте характеристику горно-геологических условий сооружения подземных резервуаров в скифских глинах.
Приведите примеры технологического оборудования для хранения нефтепродуктов.
Опишите принципы герметизации подземных резервуаров для захоронения токсичных отходов.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Башмак колонны - нижний торец обсадной или подвесной колонны. Вместимость - максимально возможный объем заполнения подземного резервуара продуктом хранения.
Выработки:
вскрывающая - подготовительная выработка, используемая для создания подземного резервуара; в отдельных случаях может частично или полностью использоваться для хранения продукта;
выработка-емкость - подземная горная выработка, часть подземного резервуара, предназначенная для хранения продукта:
коллекторная - вспомогательная выработка, предназначенная для доступа людей и доставки оборудования при проходке обособленных выработок-емкостей; в период эксплуатации хранилища продуктом не заполняется;
подходная - вспомогательная выработка малого сечения, где устанавливается герметичная перемычка;
специальная - выработка, предназначенная для размещения эксплуатационного оборудования, например, насосная камера.
Вода подтоварная - в шахтных резервуарах в породах с положительной температурой слой, состоящий из подземных вод, поступающих в выработку-емкость, и воды, выделившейся из хранимого продукта.
Гидровруб - подготовительная выработка бесшахтного резервуара, создаваемая методом растворения массива каменной соли в нижней части выработки-емкости, для обнажения активно растворяемой горизонтальной поверхности, приема нерастворимых включений и начала образования проектной формы.
Гидронаблюдательная скважина - скважина, вскрывающая горные породы в интервале водоносных горизонтов, используемая для наблюдения за режимом подземных вод.
Звуколокатор - ультразвуковой прибор для определения формы и оценки объема подземной выработки.
Зумпф - донная часть выработки-емкости; в бесшахтных резервуарах заполнена осадком, нерастворенными материалами и остатками солевого раствора; в шахтных резервуарах - углубление в почве выработки- емкости для аккумуляции хранимого продукта и подтоварной воды, где располагается всасывающий патрубок насоса.
Колонна:
основная обсадная - последняя обсадная колонна бесшахтного резервуара, заглубленная в толщу соли, через которую осуществляется строительство выработки-емкости и эксплуатация резервуара;
подвесная - колонна труб, закрепленная на устье скважины и предназначенная для закачки и отбора жидкостей и газов при создании и эксплуатации бесшахтных резервуаров.
Контроль подбашмачный - контроль за уровнем контакта «нераство- ритель - рассол» в процессе формирования выработки-емкости в каменной соли; осуществляется наблюдением за появлением нерастворителя на устье скважины в межтрубном пространстве подвесных колонн, что соответствует положению контакта «нерастворитель - рассол» на уровне башмака обсадной колонны.
Муфта-смеситель - устройство, обеспечивающее компрессорную откачку без подъема подвесной колонны при восстановлении приемистости сбросных скважин; устанавливается на подвесной колонне и представляет собой муфту с отверстиями, оборудованными клапанами.
Нерастворитель - газовая или жидкая среда между основной обсадной колонной и внешней подвесной колонной; используется для предохранения горизонтальных поверхностей каменной соли от растворения, т. е. для управления формообразованием выработок-емкостей подземных резервуаров.
Объем продукта буферный - минимально допустимый остаток жидкого или газообразного продукта в резервуаре, не извлекаемый в процессе эксплуатации.
Рассол:
концентрированный - хлориднонатриевый рассол с концентрацией не менее 300 г/л;
строительный - хлориднонатриевый рассол, образующийся при растворении каменной соли в процессе создания выработки-емкости бесшахтного резервуара.
Рассолохранилище - емкость для хранения концентрированного рассола, использующегося при рассольной схеме эксплуатации.
Режим подачи растворителя:
прямоточный - создание подземной выработки в солях, когда вода подается по центральной подвесной колонне, а рассол отбирается по межтрубному пространству внешней и центральной подвесных колонн;
противоточный - создание подземной выработки, когда вода подается в скважину по межтрубному пространству внешней и центральной подвесных колонн, а рассол отбирается по центральной колонне.
Резервуар:
подземный - система горных выработок в непроницаемых породах, оборудованная для закачки, хранения и выдачи жидкостей и газов и состоящая из вскрывающих, вспомогательных горных выработок и выработок-емкостей;
бесшахтный - резервуар, выработка-емкость которого создается путем растворения каменной соли через обсаженную буровую скважину, оборудованную подвесными колоннами;
шахтный - резервуар в породах, выработки которого сооружаются буровзрывным, комбайновым или щитовым способами проходки.
Пусковой комплекс - группа объектов основного и вспомогательного назначения, определенная проектом и предназначенная к первоначальному пуску в эксплуатацию.
Схема эксплуатации бесшахтного резервуара:
рассольная - взаимовытеснение хранимого продукта рассолом при закачке-выдаче;
безрассольная - компрессорная закачка газа и его выдача за счет внутреннего давления в резервуаре, взаимозамещение продукта и газа при закачке-выдаче, отбор продукта погружными насосами.
Ступень растворения - этап отработки подземной выработки в массиве каменной соли методом растворения водой для формирования выработки-емкости проектной формы и объема.
Устьевое оборудование - наземное оборудование, предназначенное для герметизации устья эксплуатационных скважин при строительстве и эксплуатации подземных резервуаров, включающее колонные головки, клиньевую подвеску обсадных и подвесных колонн, фонтанную арматуру.
Целик - часть массива горных пород, не извлекаемая при строительстве и предназначенная для обеспечения устойчивости и герметичности выработок и предотвращения прорыва в них подземных вод.
Целик барьерный - целик, разделяющий поля размещения подземных резервуаров и соседнего горнодобывающего предприятия.
Экранирующая способность горных пород - свойство горной породы, определяющее ее фактическую непроницаемость по отношению к продуктам, хранимым под избыточным давлением.
Эксплуатационная скважина - в бесшахтном резервуаре - скважина, оборудованная для строительства выработки-емкости и эксплуатации резервуара; в шахтном резервуаре - для его эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Стратегия развития газовой промышленности России/Под общ. ред. Р.П. Вяхирева и А.А. Макарова. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 343 с
Баклашов И. В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. - М.: Недра, 1992. - 540 с.
Гальперин А. М., Шафаренко Е.М. Реологические расчеты горнотехнических сооружений. - М.: Недра, 1977. - 235 с.
Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров нефтехранилищ. - Киев: Будивельник, 1973. - 244 с.
Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. -М.: Недра, 1974. -239 с.
Иванцов О.М. Хранение сжиженных углеводородных газов. - М.: Недра, 1973. -224 с.
Кузнецов ГН., Будько М.Н. Моделирование проявлений горного давления. Л.: Недра, 1968. -279 с.
Мазуров В.А. Подземные газонефтехранилища в отложениях каменной соли. -М.: Недра, 1982. -208 с.
Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения. - М.: Недра, 1974. -312с.
Партон В. 3., Перлин П. И. Интегральные уравнения теории упругости. - М.: Наука, 1977.-311 с.
Покровский Н.М. Комплексы подземых горных вырабоок и сооружений. - М.: Недра, 1987. - 248 с.
Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. СНиП 34- 02-99. - М.: Стройиздат, 1999. - 32 с.
Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. СП 34- 106-98. -М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1999. -110 с.
Правила обустройства и безопасной эксплуатации подземных хранилищ природного газа в отложениях каменной соли. ПБ-08-83-85. - М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1995. - 79 с.
Смирнов В.И., Голицинский Д.М., Мельников Л.Л. Строительство подземных сооружений с использованием камуфлетных взрывов. - М.: Недра, 1981. -212с.
СохранскийВ.Б., Черкашенинов В. И. Подземные хранилища шахтного типа. - М.: Недра, 1978. - 200 с.
Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарян Э.В. Основы механики горных пород. -Л.: Недра, 1977. - 504с.
Шемякин Е.И. Введение в теорию упругости. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 95 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие3
Введение4
РАЗДЕЛ I. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ШАХТНОГО ТИПА ГОРНЫМ СПОСОБОМ
Глава 1. Виды подземных хранилищ и условия их применения 11
Вопросы для самостоятельной подготовки21
Глава 2. Проектирование и строительство подземных хранилищ 22
Объемно-планировочные схемы22
Выработки и герметизирующие устройства хранилищ в породах
с положительной температурой32
Вскрывающие выработки32
Выработки-емкости38
Выработки вспомогательного назначения43
Герметизирующие устройства или герметичные перемычки 46
Вопросы для самостоятельной подготовки55
Глава 3. Подземные хранилища с искусственной изоляцией 56
Вопросы для самостоятельной подготовки63
Глава 4. Выработки хранилищ в вечномерзлых породах 64
Вскрывающие выработки64
Горизонтальные выработки-емкости и герметизирующие устройства66
Вспомогательные выработки70
Вопросы для самостоятельной подготовки79
Глава 5. Анализ опыта проектирования и строительства хранилищ шахтного типа 80
Специально сооружаемые подземные хранилища80
Хранилища в отработанных горных выработках92
Вопросы для самостоятельной подготовки106
РАЗДЕЛ II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО БЕСШАХТНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ В КАМЕННОЙ СОЛИ
Глава 1. Классификация подземных хранилищ и условия их применения 107
Вопросы для самостоятельной подготовки119
Глава 2. Проектирование и строительство подземных хранилищ в каменной соли 120
Объемно-планировочные схемы120
Оценка длительной устойчивости выработок-емкостей в породных массивах, проявляющих реологические свойства 125
Бесшахтные резервуары в каменной соли 126
Шахтные резервуары в вечномерзлых породах 129
Определение вместимости подземных резервуаров129
Вопросы для самостоятельной подготовки130
Глава 3. Технология строительства выработок-емкостей 131
Бурение и оборудование эксплуатационных скважин 131
Технологические схемы строительства подземных резервуаров в каменной соли 133
Методы контроля 146
Испытания на герметичность 148
Переоборудование резервуаров на эксплуатацию. Первое заполнение .... 155
Наземный комплекс. Эксплуатация подземных хранилищ 158
Вопросы для самостоятельной подготовки162
Глава 4. Отечественная и зарубежная практика проектирования и строительства бесшахтных хранилищ в каменной соли 164
Вопросы для самостоятельной подготовки182
РАЗДЕЛ III. СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАМУФЛЕТНЫХ ВЗРЫВОВ
Глава 1. Требования к инженерно-геологическим условиям участков строительства подземных резервуаров 183
Вопросы для самостоятельной подготовки190
Глава 2. Буровзрывные работы 191
Бурение скважин и шурфов 191
Простреливаемость глинистых пород 195
Взрывные работы 198
Плотность заряжания и выбор конструкции забойки204
Оценка сейсмической безопасности камуфлетных взрывов205
Вентиляция208
Вопросы для самостоятельной подготовки210
Глава 3. Устойчивость подземных выработок-емкостей 211
Вопросы для самостоятельной подготовки216
Глава 4. Крепление выработок-емкостей набрызгбетоном 217
Расчет набрызгбетонной крепи224
Организация строительства225
Вопросы для самостоятельной подготовки226
Глава 5. Область применения и примеры строительства подземных резервуаров методом камуфлетных взрывов 227
Вопросы для самостоятельной подготовки240
Основные термины 241
Список литературы245
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Смирнов Вячеслав Иванович
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНЫХ ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ
Подписано в печать 20.04.2000. Формат 70x100/16. Бум. мел. Усл.-печ. л. 16,0.
Уч.-изд. л. 17,8 Тираж 1000 экз. Заказ 4805.
Издательская подготовка, дизайн, изготовление пленок - ООО «Газоил пресс» 117292, Москва ул. Ивана Бабушкина, 4, корп. 1.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «Типография «Новости» 107005, Москва ул. Ф. Энгельса, 46.
В.И. СМИРНОВ
Строительствоподземныхгазонефтехранилищ
Рекомендовано Министерством образованияРоссийской Федерации в качестве учебногопособия для студентов высших учебных заведений,обучающихся по направлению «Горное дело»
МоскваГазой л пресс2000
ББК33.15
С 50
УДК 622.691.24
Автор предисловия академик РАН Е.И. Шемякин
Смирнов В.И.
С 50 Строительство подземных газонефтехранилищ: Учебн. пособие для вузов. - М.: Газоил пресс, 2000. - 250 с.: ил.
ISBN 5-87719-016-4
Рассмотрен и обобщен опыт проектирования, строительства и эксплуатации подземных газонефтехранилищ в каменной соли, вечномерзлых и других горных породах. Даны технологические схемы сооружения подземных хранилищ горным способом, бесшахтных резервуаров через буровые скважины, в том числе с использованием камуфлетных взрывов.
Приведены требования к горным породам и методика оценки их пригодности для создания выработок-емкостей. Изложены сведения о современных конструкциях газонефтехранилищ различных типов, средствах герметизации, технологическом обустройстве, способах и особенностях эксплуатации. Рекомендованы методы расчета основных конструктивных элементов и допустимых размеров подземных резервуаров для обеспечения их длительной устойчивости. Приведены примеры проектирования и строительства подземных газонефтехранилищ из отечественной и зарубежной практики.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Горное дело».
ББК 33.15