книги из ГПНТБ / Ширковский, А. И. Добыча и подземное хранение газа учебное пособие

Окончательная формула для расчета газонасыщенного объема норового пространства имеет вид

Рассчитаем изменение объема порового пространства и давле­ ние в хранилище в течение второй фазы неустановившейся фильт­

160

Полученное значение Qi принимаем в дальнейших расчетах

за QoРезультаты вычислений приведены в табл. 32.

Из данных табл. 32 и рис. 39 видно, что в течение второй фазы давление в созданной области газоносности изменяется незначительно.

§ 50. Расчет падения давления в хранилище после прекращения закачки газа

После того как прекратится закачка газа в хранилище, в газо­ носной и водоносной частях пластовой водонапорной системы начнется перераспределение давления. В газоносной части пласта

и графика видно, что вначале темп снижения давления в хра­

Глава VII

ПОДЗЕМНОЕ ХРАНЕНИЕ ЖИДКИХ ГАЗОВ В ПУСТОТАХ

§ 52. Классификация подземных хранилищ в непроницаемых горных породах

Подземным хранилищем в непроницаемых горных породах на­ зывается естественная или искусственно созданная полость (ем­ кость) в комплексе с наземным и подземным технологическим оборудованием, обеспечивающим прием, хранение и отбор про­ дуктов.

Хранимые продукты могут находиться в газообразном (природ­ ный газ, этан, этилен и др.) или в жидком (пропан, бутаны, сжиженный природный газ, бензин, дизельное топливо и др.) со­ стоянии.

Подземные хранилища создают:

вотложениях каменной соли (пласты, массивы, штоки);

внепроницаемых или практически непроницаемых горных по­ родах: гипс, ангидрит, гранит, глина и др.;

взаброшенных шахтах, карьерах или других горных выра­

ботках; в плотных горных породах при специальных методах создания

хранилищ (ядерные взрывы и др.).

На рис. 41 представлена общая схема классификации подзем­ ных хранилищ в непроницаемых горных породах.

§ 53. Подземные хранилища в отложениях каменной соли

О ц е н к а п р и г о д н о с т и о б ъ е к т а д л я с о з д а н и я п о д з е м н о г о х р а н и л и щ а

Из подземных хранилищ всех типов в непроницаемых горных породах наиболее распространены в СССР и за рубежом храни­ лища в отложениях каменной соли. Около 90% всех хранимых продуктов размещены в таких хранилищах.

Возможность и технико-экономическая целесообразность созда­ ния хранилищ этого типа обусловлены специфическими и физико­ химическими свойствами каменной соли и условиями ее зале­ гания.

6* 163

Строение отложений каменной соли различно — это массивы, купола, штоки, линзы и пласты различной мощности при различ­ ных углах падения. Отложения каменной соли состоят либополностью из минерала галита («чистая соль»), либо содержат включения: прослои и линзы ангидритов, гипса, карбоната каль­ ция и других минералов и пород.

Рис. 41. Схема классификации подземных хранилищ в непроницаемых горных породах

Химический состав галита: 39,39% Na и 60,61% С1. Молеку­ лярная масса 58,44, плотность 2,1—2,2 г/см3, твердость по шкале Мооса 4,0—2,5. Галит бесцветен, прозрачен и имеет стеклянный блеск. В зависимости от характера и количества примесей соль окрашивается в желтый, розовый, красный, бурый, коричневый

и зеленый цвет.

Месторождения каменной соли широко распространены по всей территории Советского Союза. Глубина залегания отложений ка­ менной соли изменяется от нескольких метров до 2500 м. Наиболее часто открытые месторождения залегают на глубинах 100—1000 м..

Для оценки пригодности объекта для сооружения и эксплуата­ ции подземных хранилищ в отложениях каменной соли проводится комплекс специальных разведочных работ. Изучается накопленный геологический материал, бурятся разведочные скважины, прово­ дятся геофизические, гидрогеологические и карстологические ис­ следования, отбираются керны для лабораторных исследований и т. д.

Результаты разведки оцениваются с позиций следующих крите­ риев пригодности объекта для создания подземного хранилища:

164

герметичность; прочность и устойчивость отложений каменной соли; инертность по отношению к хранимому продукту; энерго­ затраты на размыв (с учетом содержания включений).

Герметичность подземного хранилища зависит от свойств соли, тектоники, гидрогеологии, карстовых явлений, посторонних вклю­ чений.

Отложения соли не сохраняют трещин вследствие ее пластич­ ности. На глубине пористость и проницаемость соли таковы, что для хранимого продукта она непроницаема. В пластовых место­ рождениях соли необходимо, чтобы породы кровли и подошвы также были непроницаемы. В противном случае при создании хранилищ специально оставляют «целики» (защитные слои) камен­ ной соли. Неблагоприятными тектоническими условиями, веду­ щими к нарушению герметичности, могут быть дизъюнктивные дислокации (сбросы, сдвиги и т. д.) в интервале заложения хра­ нилища, слоистое строение соленосных толщ («полосчатость соли»).

Карстовые явления представляют опасность для герметичности хранилища, так как они проявляются в виде узких трубчатых ходов, расщелин, пор и полостей иногда размером в десятки квад­ ратных метров и более. Гидрогеологическая связь водоносных го­ ризонтов с соленосной толщей может привести к размыву каверн, которые могут превратиться в пути утечки хранимых продуктов. Только всесторонний анализ результатов разведки с учетом опи­ санных явлений дает возможность сделать заключение об обеспе­ чении герметичности создаваемого хранилища.

Предел прочности чистой каменной соли на сжатие составляет 250—300 кгс/см2, а - на некоторых месторождениях достигает 600 кгс/см2. Предел прочности при изгибе составляет 25—40 кгс/см2, а при растяжении — 5—16 кгс/см2. Анизотропия, включения, тек­ тонические нарушения и другие причины снижают прочность, и поэтому для получения надежных исходных данных при расчете формы и объема подземного хранилища проводят статистическую обработку результатов испытаний цилиндрических образцов камен­ ной соли. Испытания 1248 образцов соли Яр-Бишкадакского место­ рождения показали, что кривые распределения предела прочности каменной соли на сжатие описываются логарифмически-нормаль-

ным законом.

Опыт многолетней эксплуатации подземных хранилищ показал, что каменная соль обладает высокими и надежными свойствами прочности и устойчивости. Учет влияния рассеянных нераствори­ мых включений вызвал необходимость установить норму их допу­ стимого содержания в пластах, предназначенных для сооружения подземных хранилищ — не более 20%.

Поскольку в подземных хранилищах продукты находятся в пря­ мом контакте с горными породами, возникает требование к их взаимной инертности, т. е. к отсутствию химического взаимодей­ ствия между продуктами и горными породами. В процессе хране­ ния не должны изменяться физико-химические и товарные свойства

165

хранимых продуктов и физико-механические и прочностные свой­ ства пород, слагающих стенки хранилища.

В лабораторных условиях были проведены специальные иссле­ дования по определению качества сжиженных газов и нефтепро­ дуктов после их хранения в контакте с каменной солью, рассолом и породами, составляющими включения в каменной соли. Условия опытов были более неблагоприятные, чем в натурных условиях: удельная поверхность контакта соли с продуктом увеличивалась в несколько десятков раз, производилось непрерывное перемеши­ вание продукта, контактирующего с образцами каменной соли, давление и температура превосходили натурные и т. д. В результате многочисленных исследований было установлено, что товарные и физико-химические свойства хранимых продуктов, а также свойства соли практически остаются неизменными.

Таким образом, лабораторные эксперименты, а также промыш­ ленные данные подтверждают возможность хранения газов и жидких углеводородов в отложениях каменной соли и других горных пород.

Важным показателем при выборе объекта для хранилища яв­ ляется глубина его залегания. Наиболее распространенными являются хранилища в отложениях каменной соли на глубине 60—1000 м, иногда создаются хранилища при глубинах до 2500 м. Расчет глубины заложения хранилища Я проводится ориентиро­ вочно при условии, чтобы избыточное давление в хранилище рИзб было ниже горного рГорн

стенок хранилища под действием внутреннего давления. Однако разрушение может произойти под действием внешнего давления. Прочность и устойчивость камер зависят от формы, размера хра­ нилища и действующих напряжений в окружающих породах и их прочности.

Ме т о д ы и с х е м ы р а з м ы в а п о д з е м н ы х е м к о с т е й

Размыв емкостей каменной соли осуществляется через буровые скважины пресной или слабоминерализованной водой.

Применяются два метода размыва; циркуляционный — закачкой пресной или слабоминерализован­

ной воды и выдавливанием на поверхность насыщенного рассола (закачку и отбор проводят через одну, две или несколько сква­ жин);

струйный метод (или орошение), когда размыв проводят с помощью струи воды в незаполненном жидкостью пространстве

166

с подачей рассола на поверхность погружными насосами или вы­ теснением сжатым воздухом.

Циркуляционный метод размыва основан на способности соли растворяться при омывании ее поверхности пресной или слабо­ минерализованной водой. Каменная соль очень хорошо раство­ ряется в пресной воде. Так, при 20° С в 1 м3 воды может раство­ риться 358 кг соли. Для образования 1 м3 емкости в среднем требуется 6—7 м3 воды.

Растворение соли представляет собой гетерогенную реакцию, идущую в диффузионной области. Условие реакции — отвод рас­ творенной субстанции от реакционной поверхности в массу рас­ творителя.

При неразрывном течении растворителя составляющая скорости течения на реакционной поверхности близка к нулю, поэтому на ней образуется пограничный слой рассола (область конечной тол­ щины, характеризующаяся неоднородностью поля скоростей и интенсивностью действия сил внутреннего трения, а также нали­ чием градиента концентрации). В пограничном слое происходит молекулярная диффузия под действием градиента концентрации, а также свободная и вынужденная конвекция. В результате этого интенсивность массопередачи от твердой стенки через пограничный слой в массу растворителя зависит от диффузионных и гидро­ динамических процессов.

Опыты показали, что при угле наклона реакционной поверхно­ сти к горизонту больше 90° наблюдается отрыв струек рассола от пограничного слоя, а при угле 180° пограничный слой прак­ тически отсутствует, так как насыщенный рассол в виде отдельных струек стекает вниз. В промежутках между этими струйками рас­ творитель соприкасается непосредственно с твердой поверхностью. Массообмен в этом случае зависит только от скорости химиче­ ского взаимодействия на контакте соль — растворитель и, есте­ ственно, более интенсивен, чем при наличии пограничного слоя. В результате размыв потолочин емкости происходит быстрее, чем боковых стенок и особенно днища (подошва пласта) емко­ сти. Экспериментальными исследованиями, проведенными во ВНИИПромгазе, было установлено, что линейная скорость раз­ мыва поверхности уменьшается от 0,7—0,8 см/ч у потолочины до

0,06—0,12 см/ч у днища, т. е. в 8—10 раз.

Описанный механизм размыва подземной емкости приводит к закономерной тенденции образования конусообразных емкостей (с основанием конуса наверху). Такая форма емкости может при­ вести к обрушению потолочины даже при небольших объемах емкости.

Из горной механики известно, что наиболее прочными и устой­ чивыми формами горных выработок являются сфероидальные или

167

газообразного продукта, который легче воды и химически ней­ трален к соли и ее водным растворам. В качестве жидких нерастворителей используют нефть, керосин, дизельное топливо, сжи­ женный газ; газообразные нерастворители: воздух, природный газ, инертные газы (COs и др.).

К преимуществам газообразных нерасгворителей относятся: простота регулирования и управления потоками, расходами и давлениями; возможность хранения без наземного хранилища и предварительной «отмывки» емкости; возможность программирова­ ния и автоматизации процесса размыва; относительно низкая стоимость нерастворителя и процесса размыва.

Недостатками нерастворителей являются: опасность разруше­ ния потолочины; перемешивание с хранимым продуктом; выпуск газа в атмосферу при снижении давления в хранилище при подъ­ еме труб.

Управление процессом размыва осуществляется изменением положения концов колонн труб, изменением направления и скоро­ сти потоков растворителя, регулированием концентрации рассола на входе и выходе из емкости, перемещением контакта рассол — нерастворитель, а также интенсификацией растворимости соли. При выборе технологической схемы размыва исходят из наилуч­ шей управляемости процессом при оптимальных технико-экономи­ ческих показателях с учетом горно-геологических условий и технической оснащенности.

Условия применения циркуляционного метода размыва суще­ ственно отличаются в массивах каменной соли и в местах огра­ ниченной мощности. Если при размыве емкостей в массивах использован опыт добычи каменной соли размывом, то способы сооружения подземного хранилища в пластах ограниченной мощ­ ности (5—30 м) разрабатываются начиная с 60-х годов.

Схемы различных способов размыва подземных емкостей при­ ведены на рис. 42 и 43.

Струйный метод размыва основан на способности соли рас­ творяться под действием потока воды. При этом в зоне действия струи пограничный слой срывается и растворение соли происходит более интенсивно, чем при циркуляции растворителя. Управление струями позволяет получать камеры строго заданной формы, кото­ рые даже на значительных глубинах могут быть устойчивыми при атмосферном давлении в них.

Этот метод размыва реализуется следующим образом. Бурят скважину до проектной глубины. На забой опускают погружной электронасос с колонной рассолоподъемных труб. Водоподающая труба имеет по всей высоте создаваемой емкости отверстия с на­ садками. Размыв емкости происходит при орошении стенок струя­ ми, выходящими из насадок. Водоподающую колонну или систему вращают, одновременно регулируя напор струй. При струйном методе размыва диаметр камер составляет 15—20 м, а глубины таких емкостей не превышают 300—500 м.

168

20 2/

Рис. 42. Технологическая схема соо­ ружения подземной емкости в отло­ жениях каменной соли ступенями сверху вниз:

Рис. 43. Схема размыва каверны в соляном пласте малой мощности с помощью двух скважин:

а — соединение забоев наклонно-нап равлен ­ ной и вертикальной скваж и н ; б — период р азм ы ва ем кости при переменном изм ене­ нии направления движ ения растворителя и р ассол а ; в — период эксплуатации ем кости; 1 и 2 — эксплуатационны е и обсадн ы е ко ­

лонны труб

в

169