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

резьбу нижней части штанги. При неподвижном положении ан­ керной головки достигается некоторое сжатие анкерной толщи.

Для крепления применяют большое количество различных ти­ пов анкерных болтов, но в основном их можно разделить на два типа: клино-щелевые и распорно-клиновые.

При клино-щелевой конструкции болтов анкер расклинивается в результате забивки штанги в шпур, что способствует раздвижке усов верхней части анкера, скользящих по скошенным поверхно­ стям клина. В результате проникновения клина в щель верхний конец анкера все больше и больше распирается между стенками шпура. Этим достигается надежное закрепление анкерных бол­

тов в шпурах. Распорно-

ілучше всего закрепляются

вкрепких, но не твердых

—— породах. В очень крепко

атакже в слабых породах обычно применяют рас­ порно-клиновые анкеры.

го превышающим диаметр болтов, и глубиной на 10 см меньше длины болта. Затем в шпуры вводят болты, конструктивное исполнение верхних концов кото­ рых обеспечивает расклинивание их в шпурах. Восходящие шпу­ ры для анкерных болтов бурят в слабых породах, в основном руч-

ными электросверлами или пневматическими бурильными молот­ ками.

Существуют следующие варианты крепления анкерными бол­ тами: крепь с затяжкой кровли и стен выработок металлической сеткой. Применяется в местах нарушения кровли и стен выра­ боток без притока воды для предотвращения обвала отдельных кусков породы; крепь с опорными планками; крепь с подхватами из швеллера или круглой арматуры (рис. 8). Применяется при слабых кровлях для усиления работы нижней части плиты на растяжение. Подхваты располагаются перпендикулярно к оси выработки и выполняют ту же роль, что и металлическая арма­ тура, укладываемая в нижнем поясе железобетонных перекры­ тий; крепь с торкретированием стенок, закрепленных анкерной крепью по металлической сетке. Торкретирование представляет собой нанесение тонкого слоя раствора или бетона на породу или на бетонную поверхность с целью уплотнения и упрочения ее, а также обеспечения водонепроницаемости. Торкретирование применяют весьма редко при закреплении слабо трещиноватых пород.

В этом случае для*устранения возможной утечки газа из храни­ лища горные породы цементируют.

С геологической точки зрения наиболее пригодными для це­ ментации являются водоносные трещиноватые породы средней крепости и крепкие известняки, гипсы, граниты и т. д.

Попытки применения цементации пористых и губчатых пород были неудачными в связи с отсутствием цементов достаточно тон­ кого помола, твердые частицы которых могли бы проникать в поры таких пород.

Заполняют трещины и укрепляют слабые породы путем нагне­ тания цементно-песчаного или беспесчаного раствора. Цемента­ цию производят с целью предупреждения. прорывов воды в ем­ кость и паров сжиженного газа в окружающие породы и в мень­ шей степени для увеличения устойчивости пород.

Обычно работы по тампонажу осуществляют двумя способами. По первому способу нагнетание цементного раствора начинают в глубине скважины, которую бурят на необходимую длину, после чего раствор снизу под давлением подают в определенную зону.

Второй способ проведения тампонажных работ заключается в следующем. Скважину бурят на значительно меньшую глубину, чем проектная, затем в нее вводят раствор, после его затвердения

вновь разбуривают скважину, одновременно углубляя ее. Так продолжают до достижения проектной глубины скважины. Этот способ более надежен. Давление, под которым нагнетается рас­ твор, контролируется манометрами. Трещины надежно запол­ няются раствором лишь в том случае, если давление в процессе нагнетания равномерно возрастает и с окончанием нагнетания достигает максимально необходимой величины. Если давление

дают возможность раствору в породах затвердеть и только после этого подают раствор в ту же зону, причем продолжают нагне­ тание до тех пор, пока давление не начнет подниматься.

Если скважины бурят в неустойчивых породах, устья их це­ ментируют и трубы для нагнетания раствора уплотняют в местах соединения резиновыми кольцами.

Давление для нагнетания раствора принимают в зависимости от величины трещиноватости. В породах с малой трещиноватостью давление для нагнетания раствора принимают выше, не­ жели в породах с крупной трещиноватостью. Раствор нагнетают с начальным минимальным давлением, постепенно повышая его до проектного. Первоначальное давление на 1—2 ат, а в конце нагнетания — на 10—30 ат выше гидростатического давления воды в скважинах.

Тампонажные цементные растворы в условиях подземных хра­ нилищ испытывают постоянное воздействие фильтрующейся че­ рез раствор воды, часто агрессивной, с различным напорным гра­ диентом, а также паровой и жидкой фаз при давлении до 10— 11 аг. В ряде случаев при этом в местах нарушения и наиболь­ шей трещиноватости наблюдается высокое горное давление.

Основными свойствами цементных растворов, определяющими их соответствие требованиям проекта и долговечности в условиях подземных хранилищ, являются плотность, прочность, водо- и газонепроницаемость, стойкость против агрессивных вод, стой­ кость против влияния сжиженных газов, хорошее сцепление меж­ ду окружающими породами и растворами. Обычно цементный раствор может быть водо- и газопроницаемым даже при весьма малом давлении.

Для увеличения пластичности цементационных растворов при­ меняют поверхностно-активные вещества (ПАВ), их вводят в це­ мент при помоле или при изготовлении смесей. .

Применение ПАВ позволяет увеличить подвижность раствор­ ной смеси и уменьшить водную добавку.

В связи с этим в растворе уменьшается количество водяных пор, а также повышается плотность цементного камня, что в свою очередь уменьшает водо- и газопроницаемость.

Для уменьшения водопотребности цемента применяют спе­ циальные воздухововлекающие добавки. В качестве таких доба-

Время схватывания эмульсии и цемента составляло от 8 мин до 1 ч. Через 33 дня после начала работ по тампонажу 95% всех трещин было затампонировано. Всего для заделки трещин и за­ крытия водопритока было пробурено около 600 шпуров, в каж­

Надежность тампонажа была гарантирована предшествовав­

давлением 40 ат и насыщенный соляный раствор. В результате применения вышеуказанной эмульсии стволы шахт удалось пол­ ностью осушить и прекратить выход газа.

Так как бетон и цементные растворы, которые в исключитель­ ных случаях приходится применять при проходке горных выра­ боток для крепи, не являются непроницаемыми для сжиженных газов, для придания им непроницаемости производятся опыты по покрытию поверхности бетона специальными составами, изго­ товленными чаще всего на базе тиокол-латекса:

В результате исследовательских работ было найдено надежное покрытие, которое в настоящее время используется для прида­

ликон теплостоек, выдерживает температуру выше 200° и практи­ чески не растворяется в сжиженных газах. Выработки хранилищ, сооружаемые шахтным способом, облицовывают штукатурным раствором и затем покрывают силиконом.

Покрытия из-силикона должны соответствовать ряду требо­ ваний: быть газо-, бензо-, водонепроницаемыми, не растворяться в воде и нефтепродуктах и не влиять на их кондицию. Кроме этого, покрытия должны хорошо прилипать к влажным поверх­ ностям бетона и не быть токсичными.

Вопросами придания пористым породам газонепроницаемости с помощью специальных покрытий занимаются не только амери­ канские специалисты, но и специалисты других стран. Так, фран­ цузские специалисты считают, что сжиженный пропан . можно хранить в пройденных в песчанике выработках, стенки которых покрыты специальным составом, приготовленным на основе ла- текс-неопрена.

Зависимость абсолютных значений упругости паров пропанбутановых смесей от температуры показана на рис. 9.

Очевидно, что для сокращения расхода стали на резервуары СУГ целесообразно хранить при минимальных избыточных дав­ лениях, для достижения которых необходимо снизить темпера­ туру хранимого продукта и искусственно поддерживать ее с по-

мощью предельного сокращения притока тепла из внешней среды. В этом случае можно использовать стандартные сравни­ тельно тонкостенные резервуары, используемые для хранения стабильных нефтепродуктов: бензина, дизтоплива.

Такое техническое решение является первым шагом по пути уменьшения металлоемкости хранилищ для СУГ, однако необхо­ димо иметь в виду следующие специфические свойства сжижен­ ных углеводородных газов:

повышенную взрыво- и пожароопасность СУГ, определяемую их интенсивной испаряемостью при утечках. Большой удельный вес паров (больше, чем у воздуха) способствует их скоплению в пониженных местах и образованию горючих смесей даже при отрицательных температурах наружного воздуха;

весьма высокие значения коэффициентов объемного расшире­ ния СУГ, что заставляет предусматривать в наземных стальных

резервуарах резервные незаполняемые объемы на случай повы­ шения температуры.

Более современным инженерным решением по созданию эко­ номичных хранилищ для СУГ является их заглубление и приме­ нение неметаллических ограждений.

Выше были подробно изложены основы проектирования и тех­ нология сооружения подземных хранилищ для нефтепродуктов

иСУГ шахтного типа.

Врайонах, где отсутствуют соляные формации либо другие непроницаемые горные породы, для хранения сжиженных угле­ водородных газов и искусственно сниженной упругостью паров можно применить такой неприхотливый строительный материал, как замороженный грунт, причем особенно хорошие результаты этот способ дает в наименее пригодных для строительных целей неустойчивых структурах, представленных пылеватыми песками, гравием, илом. Замораживание грунтов вполне применимо при сооружении подземных камер в карстовых породах: известняках, ангидритах.

Основное преимущество способа искусственного заморажива­ ния грунтов для создания хранилищ сжиженных углеводородных газов состоит в том, что с помощью холода, вводимого в грунт, можно создать перемычки заданной глубины, размеров и проч­ ности, совершенно непроницаемые для хранимой среды.

Полное оттаивание ледогрунтового массива может произойти в 6—8 раз медленнее, нежели замораживание. Периодическое прекращение-работы замораживающей станции (например, из-за

Принцип изотермического хранения СУГ предопределяет по­ стоянство низкой температуры хранимой жидкости для поддер­ жания упругости ее паров в пределах, близких к атмосферному давлению. Таким образом, сохранность несущей способности и герметичности ледогрунтового ограждения хранилища гаранти­ руется наличием внутреннего генератора холода.

Искусственное снижение температуры и давления хранимого продукта обуславливает необходимость постоянной затраты не­ которого количества энергии. В технологической схеме такого хранилища в качестве обязательного элемента появляется цир­ куляционный холодильный цикл.

Термодинамические свойства углеводородных газов позволяют успешно использовать собственно хранимые среды в качестве хладоагентов.

Для хранения углеводородов в сжиженном состоянии при ат­ мосферном давлении необходимо поддерживать следующие тем­ пературы: для н.бутана — минус 0,5° С, изобутана — минус 12,2°, пропана — минус 42,1°, пропилена — минус 47,7°, этана — ми­ нус 89°, этилена — минус 104° и метана — минус 16Г.

§ 2. Некоторые сведения из опыта сооружения ледогрунтовых изотермических хранилищ СУГ

Идея создания грунтовых хранилищ для сжиженного метана принадлежит Н. С. Куперу (США). Предложенный им тип без­ опасного хранилища представлял собою сооружение довольно глубокой выработки с изоляцией стенок грунта паронепроницае­ мыми листовыми или рулонными материалами. Выработку вы­ полняли простейшими способами с сохранением угла естествен­ ного откоса грунта. В качестве кровли такой емкости было пред­ ложено применить коническую либо сфероидальную металличе­ скую крышку, плотно сопрягаемую с грунтом.

Хранилища такого типа экономически целесообразно соору­ жать только в особых случаях, характеризуемых специфическими конкретными условиями.

Фирмой «Филипс Петролеум» была предложена схема низко­ температурного хранилища, применимая в разнообразных грун­ товых условиях. Согласно этой схеме грунтовые воды заморажи­ ваются с помощью низкотемпературной жидкости, предназначен­ ной для хранения. В результате замерзания воды создается оболочка, не проницаемая для сжиженных газов. Дл я такого хранилища рекомендуется заглубление уровня сжиженных газов исходя из расчета не менее 5 см на каждые 100 мм вод. ст. упру­ гости паров при температуре хранения. Схема ледогрунтового изотермического хранилища показана на рис. 10.

На протяжении последнего десятилетия проблема создания ледогрунтового хранилища одновременно изучается в нескольких

равления от датчиков аппаратуры; 10 — лед.

странах. Согласно канадскому патенту № 851094 герметичность хранилища обеспечивается принудительным замораживанием грунтовых вод.

Крауфорд и Фланеджен производили исследования по искус­ ственному замораживанию стенок камер с помощью сжиженного

природного газа. Аналогичные исследования проводились во Франции.

Интересна конструкция изотермического хранилища траншей­ ного типа, построенного в США для сжиженного метана. Протя­ женность траншеи равна 120 м, глубина — 5 м, средняя ши­ рина — 15 м. Емкость хранилища выполнена из льда, арматурой которого служат технологические трубопроводы. Дл я увеличения прочности ледяной кровли воду перед замораживанием можно перемешивать с древесными опилками.

Компания «Филипс Петролеум» предложила хранить охлаж­ даемые углеводородные жидкости в грунтовых котлованах либо в осушенных прудах. Кровлей таких хранилищ может служить ледяная оболочка, создаваемая на арматуре из труб, по которым циркулирует хладоагент. Конструктивная схема ледогрунтового изотермического хранилища описанного типа приведена на рис. 11.

Предполагается строить такие хранилища в непроницаемых горных породах (глины, суглинки, сланцы и пр.) либо в фильт­ рующих грунтах со специальной изоляцией стенок пластмассами, каучуком, бетоном.

Рис. 11. Схема ледогрунтового изотермического хранили­ ща сжиженных газов траншейного типа:

/ — траншея; 2 —опоры; 3 — лед; 4 — хранимый продукт; 5— ле­ довая крышка; 6 — холодильная установка; 7 — сливо-наливной трубопровод; 8 — трубопровод для подачи дросселированной жидкости; 9 — изоляция; 10 — змеевик охлаждения крышки; //— трубопровод для отсоса паров на холодильную установку; 12 — паровое пространство; 13 — датчики температуры; 14 — бетон.

В районе острова Чарльз (США) было сооружено опытное / подземное хранилище сжиженного метана емкостью 135 м3. Вы­ сота и диаметр цилиндрической емкости, вырытой в глинистопесчаных, иловатых и водонасыщенных грунтах, составля­ ет 6,1 м.