книги из ГПНТБ / Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров - нефтегазохранилищ

Действующие в стенках камер нормальные напряжения (соот­ ветственно для шара и цилиндра) определяются формулами:

Опыт эксплуатации рассолопромыслов показывает, что даже при нулевом давлении на устье скважины обрывы труб за счет местных вывалов все же иногда имеют место. Следовательно, для подземных нефтегазохранилищ вероятность обрушения мож­

Исходя из опыта строительства подземных хранилищ нефте­ продуктов и сжиженных газов не рекомендуется превышать сле­ дующие предельные величины радиусов выработок: для сфери-

Рис. 43. Номограмма для определения максимально допустимого радиуса сферической подземной емкости в отложениях каменной соли.

ческих емкостей Ятлх = 3 0 м; для цилиндрических и эллипсоидовидных емкостей с куполообразной кровлей RmsiX = 2 5 м; для ем­ костей с плоской потолочиной /? т а х = 1 5 м.

Междукамерные целики необходимо выбирать таким образом, чтобы возмущающее действие одной подземной емкости было достаточно малым в точке, принадлежащей краю другой,емкости.

т — междукамерный коэффициент;

Общее значительное искривление скважин приводит к нару­ шению проектных решений, схемы размещения отдельных камер, уменьшению расчетных размеров целиков и делает возможным сбойку камер.

При бурении скважин для подземных хранилищ в интервале покрывающих пород и заложении емкостей можно допускать максимальные отклонения скважин от вертикали на 1—1,5°.

Необходимо применять самые точные инклинометры и кавер­ номеры для многократного измерения ствола и контроля за на­ правленностью скважин. Бурение в соли производится на глини­ стом растворе, затворенном насыщенным рассолом.

Если кровля сложена плотными известняками или имеется мощная толща ангидрита, покрывающая соль, то башмак обсад­

Особые требования предъявляются к герметичности скважин. Герметичность скважины в закрепленной части ствола зависит от герметичности обсадной колонны труб и затрубного простран­ ства. Герметичность обсадной колонны определяется отсутствием дефектов в теле труб и в резьбовых соединениях.

Кольцевое пространство между обсадной трубой и колонной труб D = 2 1 9 мм является трубопроводом, по которому в период размыва транспортируется нерастворитель, а во время эксплуа­ тации сжиженный газ, поэтому к герметичности этих колонн предъявляют особые требования.

Для выявления герметичности резьбовых соединений буровых труб при строительстве одного подземного хранилища были про­ ведены специальные испытания, для этого были изготовлены камеры с заглушёнными концами из труб с муфтовыми соедине­ ниями на специальных улучшенных смазках.

При испытании водой под давлением 60 кГ/см2 течи не наблю­ далось; при испытании бензином уже при 10 кГ/см2 некоторые стыки дали течь, при 40 кГ/см2 течь была значительной. Испыты­ вали и стыки, в которых заводское соединение с муфтой было заварено электросваркой. Испытания таких стыков бензином под давлением 80 кГ/см2 дали положительные результаты. Было при­ нято решение по заварке качественными электродами всех за­ водских и монтажных стыков на обсадных колоннах диаметром 325 мм, и одного стыка на колоннах диаметром 219 мм, так как необходимо было сохранить возможность разъема колонны.

При этом была обеспечена надежная герметизация обсадной колонны труб, но при необходимости подъема колонны ее при­ шлось разрезать. Поэтому целесообразно обеспечивать герметич­ ность стыков труб без нарушения разъемности за счет тщатель­ ной их подготовки и сборки, а также применения высококаче­ ственных специальных смазок.

Герметичность обсадной колонны проверяют после тампонажа затрубного пространства до разбуривания цементной пробки. Опрессовку желательно производить тем продуктом, который предполагается хранить в емкости, или воздухом.

Однако испытания колонны после цементации практически исключают возможность исправления дефектов, так как колонна не может быть извлечена из скважины. Целесообразно преду­ смотреть такой порядок выполнения работ, при котором стыки проверяют по мере спуска колонны.

Для осмотра и освидетельствования колонн может быть при­ менен новый телеприбор — фототелеграфная скважинная уста­ новка.

Этот прибор диаметром 60 мм и длиной 1,69 м имеет форму снаряда. В скважину его спускают на кабель-тросе; На экране телевизора, установленного наверху, можно видеть скважину. Телевизионную часть прибора можно переключать на цветную фотографию. Этот прибор, помимо осмотра скважин и определе­ ния дефектов в колоннах обсадных и эксплуатационных труб, рекомендуется использовать для изучения геологического раз­ реза по рабочей соленосной толще и вмещающим породам. Такой осмотр позволит установить точную картину расположения пропластков, определить их мощности и охарактеризовать надсолевые породы.

В подземных емкостях на больших глубинах сжиженные газы будут храниться под высоким давлением. Так, в хранилищах на глубине 1000 м минимальное давление составляет 120 кГ/см2. Поэтому должна быть -обеспечена надежная герметизация ко­ лонн труб и затрубного пространства. Герметичность затрубного пространства может быть достигнута только при качественной цементации.

Тампонаж скважины осуществляют цементным раствором на насыщенном рассоле. Однако при затворении портландского или специальных смолистых цементов на рассоле их прочность сни­ жается. Временное сопротивление сжатия образцов некоторых цементов на насыщенном рассоле снижается почти вдвое по сравнению с образцами, изготовленными на чистой воде.

Для предотвращения снижения прочности при затворении це­ мента отдельные зарубежные специалисты (в частности амери­ канец Шелл) рекомендуют добавлять в определенной пропорции инфузорную землю. В последне время для тампонажа сква­ жин подземных хранилищ стали применять специальные цементносоляные смеси и высококачественные расширяющиеся цементы.

Для лучшего сцепления цементного камня с породами удаляют глинистую корку механическими способами, например, проработ­ кой скважины новым долотом и др.

Наличие глинистой корки на поверхности скважины резко сни­ жает сцепление цементного камня с породами. Поэтому, если не

удается полностью снять глинистую корку механическим спосо­ бом, применяют химические методы.

Формирование цементного камня в значительной степени зави­ сит от правильного выбора водоцементного фактора, который не должен превышать 0,5.

Однородность цементного камня в затрубном пространстве определяется в. основном равномерным замещением глинистого раствора цементным при оптимальных скоростях восходящего потока. Как показывает практика, для качественного цементиро­ вания скорость восходящего потока должна приниматься не ме­ нее 1,5 м/сек.

На процесс замещения глинистого раствора цементным зна­ чительное влияние оказывает разность удельных весов этих рас­ творов, которая должна быть не менее 0,5 г/см3.

Для обеспечения равномерной толщины цементного кольца по всей высоте колонны через каждые две-три трубы устанавливают центрирующие пружинные фонари. Цементный раствор, как пра­ вило, поднимают до устья. Герметичность цементажа скважины проверяют после разбуривания цементной пробки.

Испытательное давление на уровне башмака обсадной ко­ лонны принимают равным давлению горных пород от поверхно­ сти до уровня башмака или в среднем 0,23—0,35 кГ/см2 на каж­ дый метр глубины скважины.

Рекомендуемое время выдерживания скважины (перед испы­ танием) после цементации составляет 2 4 — 4 8 ч. Давление рас­ сола при проверке на герметичность может быть определено по формуле

Колонна считается герметичной, если в течение 3 0 мин падение давления не превышает 2 % от испытательного. Только после проверки герметичности скважины соляной пласт бурят в интер­ вале, принятом для размещения емкости.

Во время бурения изучают прочность и проницаемость всех нерастворимых пропластков.

Для этого отбирают керн и проводят электро- и гамма-каро­ таж, причем выбирают наиболее чистые пласты соли, хорошо рас­ творимые в воде; изучают анизотропию соляного пласта и харак­ тер напластований с целью выявления возможного характера размыва подземной камеры и ее симметрии. Это особенно важно для определения максимального диаметра подземных камер и расстояний между скважинами (междукамерных целиков).

После того как скважину пробурят до проектной отметки, ее вновь испытывают на герметичность. При этом испытывают соб-

ственно непроницаемость соляной толщи. Целесообразно и эти испытания проводить продуктом, который подлежит хранению, или воздухом.

Поэтапные испытания позволяют точно устанавливать нару­ шение герметичности отдельных элементов колонны обсадных труб или тампонажа скважины, а также непроницаемость рабо­ чей толщи.

симальных значений у оголовка скважины и снижается с увеличе­ нием глубины. Его эпюра представляет собой прямоугольный тре­ угольник с основанием вверху.

В период эксплуатации перепад давлений достигает макси­ мального значения, когда уровень продукта, хранимого в емко­ сти, находится у башмака рабочей колонны. В связи с этим необ­ ходима тщательная герметизация стыков рабочей колонны.

§ 5. Выбор метода сооружения (размыва)

подземных емкостей в соляных формациях

Процесс выщелачивания каменной соли через буровые сква­ жины уже более 50 лет широко применяется в отраслях химиче­ ской промышленности, потребляющих в качестве сырья концен­ трированный раствор соли.

стоит в следующем.

Общая принципиальная схема подземного выщелачивания соЗалежь соли вскрывают буровой скважиной. Затем в скважине устанавливают обсадную трубу и опускают висячую колонну труб меньшего диаметра. Подача по межтрубному пространству воды под давлением приводит к выщелачиванию (растворению) ка­ менной соли, и рассол поднимается по центральной трубе малого диаметра (процесс может проходить в противоположном направ­

лении: центральная труба — межтрубное пространство). Возможность производить разработку месторождений соли,

залегающих на значительных глубинах, труднодоступных для вскрытия обычными горнопромышленными методами, и исклю­ чительная экономичность подземного выщелачивания обеспечили ему весьма широкое распространение.

Недостатком этого метода с точки зрения рассолопромысловой практики является образование огромных подземных камер, ко­ торые в конечном счете могут вызвать оседание и обрушение дневной поверхности. При управлении процессом и подчинении его целевому назначению (создание подземной емкости рацио­ нальной геометрической формы и ограниченного объема) данная технология строительства может быть с успехом использована

втехнике хранения жидких углеводородных газов.

Взависимости от местных условий, требуемой интенсивности растворения, а также целевого назначения процесса могут быть применены различные технологические схемы подземного выще­ лачивания. Рассмотрим эти схемы с точки зрения их использова­ ния для нужд строительства подземных хранилищ жидких угле­ водородов.

ПРОТИВОТОЧНЫЙ И ПРЯМОТОЧНЫЙ МЕТОДЫ

Скважину бурят на глубину, заданную в толще соляного пла­ ста, и обсаживают трубами. В целях плотной изоляции сква­ жины от проникновения вод, содержащихся в покрывающих по­ родах, производят тщательный тампонаж обсадных труб.

После испытания скважины на герметичность в нее опускают колонну труб меньшего диаметра, которая свободно висит на устье основной (крепежной) колонны, не достигая своим ниж­ ним торцом забоя скважины (расстояние 2—3 м).

Эксплуатация скважин по методу противотока заключается в том, что воду с дневной поверхности нагнетают в межтрубное пространство, откуда она достигает забоя и растворяет соляной пласт; рассол поднимается на поверхность через центральную колонну труб.

Избыточное давление воды должно быть достаточным для преодоления гидравлических потерь на трение в трубах и меж­ трубном пространстве, а также гидростатического противодавле­ ния, определяемого разностью удельных весов воды и рассола.

Основной дефект протйвоточной системы заключается в форме, которую приобретает вымываемая полость (камера выщелачи­ вания).

Типичная камера выщелачивания каменной соли при протйво­

Концентрация солей вниз по вертикали распределяется по воз­ растающему закону; таким обра­ зом, в верхней части камеры кон­ центрация солей близка к нулю, и раствор является наиболее ак­ тивным растворителем. В нижней же части камеры, где концентра-

Рис. 45. Подземное выщелачивание ка­ менной соли противоточным методом:

ция соли близка к насыщению, растворение фактически прекра­ щается.

Такое резкое увеличение кровли камеры, не обладающей до­ статочной механической прочностью, может привести к ее обру­ шению при необходимости создания значительного объема под­ земной емкости.

Кроме того, противоточная эксплуатация характеризуется до­ вольно низкой производительностью выщелачивания (10—15 мъ\ч рассола).

Прямоточный метод подземного выщелачивания отличается от описанного выше противоположным направлением основных потоков: вода подается по центральной колонне труб, а рассол вытесняется по межтрубному пространству. Для этой схемы ха­ рактерной является начальная форма камеры. В связи с подачей свежей воды непосредственно к забою скважины наиболее ин­ тенсивно камера будет разиваться в нижней зоне с постепенным уменьшением ее диаметра по высоте. Таким образом, первому этапу прямоточного выщелачивания свойственна грушевидная форма камеры.