Разработка и обоснование технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли

Актуальность работы. Подземные ядерные взрывы в нашей стране начали производить около тридцати пяти лет назад и продолжали осуществлять в последующие два десятилетия. За этот период на территории России было произведено 19 взрывов для опытно-промышленной отработки технологии создания подземных сооружений в отложениях каменной соли для хранения углеводородной продукции. Они были осуществлены на газоконденсатных месторождениях: Астраханском — 15 (Астраханская область), Оренбургском — 2 и Совхозном -1 (Оренбургская область), а также на объекте «Тавда» -1 (Тюменская область), в отложениях каменных солей в интервалах глубин от 160 до 1500 м. В настоящее время большинство сооружений заполнены радиоактивным рассолом и непригодны для промышленной эксплуатации. На устьях скважин фиксируется рост давления и выход рассола на поверхность земли, что, по мнению большинства исследователей, связано с конвергенцией, обрушением стенок и потолочины сооружений во времени.

В большинстве случаев необходимой изоляции сооружений, образованных в результате взрывов и заполнившихся в дальнейшем рассолом, не получилось. Наблюдения за поведением сооружений проводятся местными нефтяными, газовыми и угольными предприятиями по рабочим проектам, составленным ВНИПИпромтехнологии при согласовании и контроле органов Госатомнадзора России, Госгортехнадзора, Государственными комитетами по охране окружающей среды, Центрами Госсанэпиднадзора, а также Государственной экспертизой проектов МЧС России.

В пределах Астраханской области такие наблюдения проводились силами ООО «Астраханьгазпром», а с 1999 года — силами ООО «Подземгазпром».

В связи с тем что основная опасность загрязнения недр и поверхности происходит за счет поступления рассола по возникшим трещинам и негерметичностям затрубного пространства колонн эксплуатационных скважин, возникла проблема консервации и ликвидации сооружений, заполненных рассолом, и связанных с ними заколонных перетоков.

Как показал анализ проводимых в нашей стране работ по ликвидации водопритоков в эксплуатационных скважинах, межколонных скважинных перетоков флюидов, работ по увеличению нефтеи газоотдачи пластов, ни в одной публикации нет упоминаний о возможности консервации и ликвидации сооружений больших объемов, созданных в каменной соли и заполненных рассолом.

На основании проведенного анализа патентного и литературного поиска можно выделить перспективные для этих целей направления:

— использование магнезиальных шламов для связывания рассолов в твердое состояние;

— использование нефелинового концентрата, обработанного серной кислотой для перевода рассолов в гелеобразное состояние.

Для оценки возможности перевода больших объемов радиоактивных рассолов в неподвижное состояние возникла необходимость исследований, связанных с разработкой технологии отверждения рассолов в подземных сооружениях, и изучения свойств отверждаемных растворов на основе магнезиальных шламов и нефелинового концентрата, которые обладают необходимой конечной прочностью, нужной вязкостью и долговечностью.

Таким образом, обоснование и разработка технологических параметров консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли являются актуальной научной задачей.

Цель работы — обоснование и разработка технологических параметров подготовки и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения надежной консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли.

Идея работы заключается в направленном регулировании соотношения компонентов, времени приготовления закладочных составов и способа их подачи в выработанное пространство для перевода находящегося в нем рассола в вязко-упругое или твердое состояние непосредственно в подземном сооружении.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и их новизна:

1. Впервые установлены закономерности перевода радиоактивного рассола в вязко-упругий закладочный материал (вязкость 2200−3500 мПа-с, плотность 1,35 г/см3) в зависимости от соотношения компонентов в подаваемом составе на основе нефелинового концентрата, применение которого снижает затраты времени и средств для обеспечения заданной устойчивости подземного сооружения.

2. Установлены закономерности изменения динамической вязкости закладочного материала от соотношения компонентов в подаваемом составе, от времени (30−40 мин) и скорости (30−100 об/мин) их перемешивания при подготовке и скорости подачи состава в выработанное пространство подземного сооружения.

3. Впервые установлено, что применение магнезиального шлама с добавками 5−10% порошка магнезитового каустического позволяет в течение 5−6 суток перевести рассол в выработанном пространстве подземного сооружения в закладочный материал с оптимальными прочностными характеристиками (прочность при сжатии 1,0−1,5 МПа).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются представительным объемом экспериментальных данных (около 300 опытов), использованных в качестве основы для выявления зависимости прочностных характеристик закладочного материала от способа его приготовления и подачиудовлетворительным совпадением прогнозируемых результатов определения физических свойств отвержденных масс с данными, полученными при использовании различных связывающих рассол компонентов (в том числе при повышенных давлении и температуре) (расхождение не превышает 10−15%) — положительными результатами внедрения научных разработок в производство.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости прочностных свойств закладочных материалов от технологических параметров их приготовления и подачи в ликвидируемое подземное сооружение.

Практическое значение работы заключается в модернизации способа закладки выработанного пространства подземных сооружений в каменной соли для условий объекта «Вега» Астраханского ГКМ.

Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена в проектах ликвидации подземных емкостей 2 Т, 4 Т, 5 Т. 6 Т и 12 Т объекта «Вега» (Астраханская область).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка — 2002;2005», Ученом Совете ООО «Подземгазпром», заседании кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 117 наименований, 7 приложений.

Выводы по главе 3: при применении портландцемента тампонажного ПЦТ-50 возможно осуществлять непрерывную подачу цементного раствора на рассоле в ПЕ с одновременным отбором выдавленного рассола, на котором будет затворяться следующая порциятвердение цементного камня в массе рассола происходило в течение 24−48 часов, объем цементного камня составлял 120% от объема закачиваемого раствора, прочность цементного камня при этом составляла 1,0−1,2 МПа. при подаче ПМК-50 на дизельном топливе возможно отверждать большие объемы рассола, но желательна предварительная гидратация в пределах 20% от веса цемента и только затем смешивание с дизельным топливом. При этом требуется тщательное перемешивание (барботирование) смеси после ввода в массу рассолана ликвидацию ПЕ объемом 1000 м³ потребуется 860 т ПЦТ-50, в емкости свяжется 630 м³ рассола, а на поверхность будет вытеснено до 370 м³ несвязанного рассола, требующего дальнейшей утилизациина ликвидацию емкости объемом 1000 м³ потребуется до 400 т шлама, а на поверхность будет вытеснено до 80−100 м3 рассола, требующего дальнейшей утилизациипри применении шлама карналлитовых хлораторов возможно отверждать большие объемы рассола при ж/т 2,2−2,4 с образованием камневидного материала с прочностью при сжатии в возрасте 7 суток порядка 1,0 МПа. При повышенных температурах и давлении шлам в чистом виде не образует шламового камняпри применении шлама с добавками 5 и 10% ПМК при ж/т 2,2 сроки схватывания сокращаются до 6 и 5 суток соответственно, а прочность при сжатии образующегося шламового камня увеличивается до 1,2 и 1,5 МПа в возрасте 7 сутокподача цементного и шламового раствора на дизельном топливе должна осуществляться непрерывной струей при постоянной производительности (турбулентное движение), при которой происходит устойчивое расслоение/отделение частиц шлама/цемента от транспортной жидкостинекоторая часть дизельного топлива (до 30%) будет потеряна в виде связанной со шламовым или цементным раствором суспензии.

Глава 4 Оценка технологических схем отверждения рассола в выработках-емкостях и рекомендации по их применению.

4.1 Особенности технологических схем отверждения рассола в подземной емкости.

Основной целью настоящей работы являлось установление возможности связывания или отверждения больших объемов рассола, заполняющего емкости, путем цементирования или перевода в гелеобразное состояние и разработка технологических параметров этого процесса.

Для решения поставленных задач были выбраны нефелиновый концентрат, обрабатываемый серной кислотой (физико-химическая геотехнология) — магнезиальный шлам, представляющий собой отходы магниевого производства карналлитовых хлораторов, обладающий хорошими вяжущими свойствамии портландцемент тампонажный (ПЦТ-50), принятый в качестве отверждающего материала по проекту закрытия емкостей Астраханского ГКМ [65].

Все исследования проводились в лабораторных условиях по отработанным методикам отверждения рассолов. Общим для всех материалов является способ, который предполагает в натурных условиях на поверхности земли затворение отверждающего материала на рассоле или на дизельном топливе и закачку полученного раствора в емкость, при обеспечении необходимой первоначальной подвижности смеси для прокачки буровыми насосами.

В связи с Требованиями безопасности [91] проводились эксперименты по отверждению рассолов до камневидного и гелеобразного состояния, поэтому каждый из способов имеет свои отличительные особенности.

Портландцемент тампонажный.

С портландцементом тампонажным ПЦТ-50 работы можно осуществлять по двум вариантам: 1-й — затворение на поверхности земли цемента рассолом, отбираемым из той же емкости, и закачка цементного раствора в емкость, 2-ойподача предварительно гидратированного цемента на дизтопливе.

При первом варианте обеспечивается отверждение рассола с образованием прочного цементного камня, устойчивого во времени. Максимальное количество рассола связываемого и отверждаемого портландцементом марки ПЦТ Д-20−50 будет составлять при ж/т 0,5 на 1000 м³ рассола 2000 т портландцемента, а с добавками ПАВ в пределах 0,1−0.2% связывание рассола повышается до ж/т 0,6−0,8. Основным недостатком является выдача на поверхность большого количества рассола.

При втором варианте, как установлено нами, подача предварительно гидратированного (до 20% рассола) цемента на дизельном топливе производится при ж/т 0,67 и обязательном барботировании поданной смеси в емкость. Как показали исследования, при таком способе цементирования происходит образование цементного камня с суспензией, состоящей из цемента + рассол + дизтопливо. Недостатком этого метода является необходимость утилизации суспензии и необходимость барботирования. Для цементирования емкости объемом 1000 м³, потребуется 860 т цемента марки ПЦТ -50 и 160 м³ дизтоплива, при этом количество отверждаемого рассола составляет 630 м³, а количество вытесняемого рассола на поверхность — 370 м³, ж/т составляет 0,73 (таблица 4.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано решение актуальной задачи обоснования и разработки технологических параметров подготовки и подачи закладочных материалов в выработанное пространство, заполненное рассолом, для обеспечения надежной консервации и ликвидации подземных емкостей, созданных ядерными взрывами в каменной соли.

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

1 .Установлена принципиальная возможность консервации и ликвидации емкостей при применении нефелинового концентрата и магнезиального шлама путем перевода рассола в гелеобразное или твердое состояние в выработанном пространстве с обеспечением устойчивости подземного сооружения.

2.Динамическая вязкость гелеобразных систем достигает 3500 мПа-с при соотношении компонентов в подаваемом составе рассол: нефелин: кислота -100:15:6,2- прочность при сжатии шламового камня достигает 1,2 и 1,5 МПа в возрасте 7 суток при подаче раствора шлама с добавками 5 и 10% ПМК при ж/т 2,2.

3. Установлены закономерности изменения свойств закладочных материалов в зависимости от соотношения компонентов в подаваемых составах на основе предлагаемых материалов.

4. Установлены технологические параметры подготовки (время — 30−40 мин и скорость перемешивания 30−100 об/мин) и подачи отверждающих составов на основе нефелина в выработанное пространство для получения закладочных материалов с оптимальными прочностными характеристиками.

5. Применение предлагаемых закладочных материалов снижает затраты времени и средств на проведение консервационных и ликвидационных работ по сравнению с применяемым цементированием.

6. На ликвидацию подземной емкости объемом 1000 м³ потребуется:

— 150 т нефелинового концентрата- 75 м³ серной кислоты и 120 м³ дизельного топлива;

— 400 т магнезиального шлама и 120 м³ дизельного топлива;

Время на ликвидацию подземной емкости при использовании нефелина сократится в 9−10 раз, при использовании магнезиального шлама с добавками ПМК-в 3−4 раза.

7. Разработана организация проведения ликвидационных работ на базе современных технических средств подготовки и подачи отверждающих составов в выработанное пространство подземных сооружений: юз.

— для механизированного приготовления отверждающих составов используются цементосмесительные машины и агрегаты типа 2СМН-20 и УС6−30;

— при работе с нефелиновым концентратом и серной кислотой — специальные кислотоустойчивые смесительные агрегаты;

— для нагнетания приготовленных смесей в емкость — цементировочные агрегаты ЦА-320;

— на устье скважины устанавливают цементировочные головки, предназначенные для соединения нагнетательных линий агрегатов с внутритрубным пространством скважины.

8. Выявленные в рамках диссертационной работы закономерности изменения прочностных характеристик закладочных материалов и способы их подачи в выработанное пространство подземных сооружений, заполненных радиоактивным рассолом, использованы при обосновании проектных решений ликвидации подземных емкостей 2 Т, 4 Т, 5 Т, 6 Т и 12 Т объекта «Вега» Астраханского ГКМ.