Геоэкологическая безопасность подземных газовых хранилищ

Введение

Анализ мировой практики строительства и эксплуатации подземных хранилищ газа (ПХГ) в отложениях каменной соли свидетельствует об их очевидных преимуществах по сравнению с ПХГ в пористых структурах, поскольку они более надежно докрывают пиковые нагрузки в газопотреблении, содержат гораздо меньший объем буферного газа, требуют для размещения наземного комплекса небольшие земельные отводы и обеспечивают возможность постепенного увеличения числа подземных резервуаре по мере роста неравномерности газопотребления.

Территория России обладает огромным потенциалом в части возможностей строительства ПХГ в отложениях каменной соли. Разработанная в ОАО «Газпром» концепция развития пиковых ПХГ в солях предполагает строительство 10 пиковых ПХГ с общим геометрическим объемом около 41 млн м³. Первое из них — строящееся Волгоградское ПХГ с общим геометрическим объемом подземных резервуаров 4,3 млн м³.

По совокупности примененных проектных инженерных решений, оказывающих активное воздействие на, литосферу, это хранилище является уникальным. В пределах достаточно ограниченного геологического пространства здесь одновременно планируется осуществлять строительство методом выщелачивания 16-ти подземных резервуаров в каменной соли, промышленный водозабор с объемом отбора воды более 7000 м³/сут в течение более 20 лет, закачку в подземные горизонты высокоминерализованного рассола в объеме около 40 млн м³, хозяйственно-питьевой скважинный водозабор. По проектной технологии строительства в качестве нерастворителя используется дизельное топливо. Проектное давление хранения газа — 23,0 МПа.

В связи с этим необходимы интегрированная оценка воздействия на литосферу и разработка комплекса мер по обеспечению геоэкологической безопасности территории хранилища. Разработка концепции управления геоэкологическими процессами, базирующаяся на оценке степени техногенного воздействия на литосферу, выявлении и оценке на стадии проектирования наиболее значимых для геосреды процессов, а также управление ими посредством своевременных инженерных воздействий при строительстве и эксплуатации ПХГ в каменной соли являются целью проведенных исследований.

Основная цель настоящей работы — обеспечение геоэкологической безопасности при строительстве и эксплуатации ПХГ в каменной соли посредством оценки, контроля, прогнозирования, предупреждения и управления потенциальными негативными воздействиями применяемых технологических и технических решений.

газ хранилище каменная соль литосфера геоэкологический

1. Геоэкологические проблемы строительства и эксплуатации ПХГ в отложениях каменной соли Использование подземных хранилищ газа в мировой практике постоянно увеличивается, особенно в массивах каменной соли в связи с экономической эффективностью и технологичностью создания непроницаемых емкостей большого объема и их инертностью к углеводородам.

В России в настоящее время ПХГ в каменной соли отсутствуют. Единственное в СССР такое ПХГ было построено более 20 лет назад под Ереваном. В то же время в мировой практике газовой промышленности успешно функционируют многие сотни резервуаров для хранения газа в солях. В США эксплуатируется 26 ПХГ в каменной соли и 21 планируется к строительству. На долю ПХГ в каменной соли приходится около 20% активного газа с суммарным объемом отбора 283 млн м³/сут. В Германии 16 хранилищ, созданных в 132 кавернах, находятся в эксплуатации, 14 ПХГ намечено построить в ближайшую перспективу. Успешно эксплуатируются 3 хранилища газа в каменной соли во Франции, 5 в Великобритании и 7 в Канаде.

Создание подземных выработок Волгоградского ПХГ (ВПХГ) планируется в соленосной толще кунгурского яруса нижнего отдела пермской системы. Мощность этого яруса составляет около 520 м, а его кровля вскрывается в зоне ВПХГ на глубине 1143−1163 м. Кунгурский ярус сложен преимущественно каменной солью, ангидритами, калийномагниевыми солями (хлоридными и сульфатными) и доломитами. Как и на всей Приволжской моноклинали, он имеет циклическое строение. Установлено, что на площадке ВПХГ развито четыре цикла, включающие восемь ритмопачек. Подземные емкости планируется создавать в восьмой ритмопачке в интервале глубин 1160−1210 м, а также в пятой и шестой ритмопачках в интервале 1350−1450 м. В восьмой ритмопачке предусмотрено создание двух выработок: вертикальная выработка через одну вертикальную скважину; опытно-промышленный тоннельный резервуар через две скважины — вертикальную и наклонно-горизонтальную.

В пятой и шестой ритмопачках планируется строительство 14 вертикальных двухъярусных выработок.

Создание подземных выработок производится путем размыва каменной соли технической водой. Подземный водозабор технической воды состоит из шести рабочих и одной резервной скважины. Водозабор организован из пластов Г1 и Г2 нижнего триаса. Строительный рассол будет частично закачиваться в глубокозалегающий нижнетриасовый горизонт Г5 (1000−1010 м), частично передаваться на рассолопотребляющие предприятия (рисунок).

Проектом намечено строительство наземного водорассольного комплекса (ВРК), включающего устройства и сооружения для забора подземной воды, ее очистки, нагнетания в технологические скважины (размыв резервуаров), очистки полученного рассола, закачки очищенного рассола в нагнетательные скважины, блок операций с нерастворителем, вспомогательные сооружения, площадку компрессорной станции (КС) с технологической инфраструктурой подготовки газа.

Строительство и эксплуатация подземных хранилищ связаны с технологическими процессами в геосреде, что сопряжено с рядом геоэкологических проблем. К ним относятся: сокращение объема подземных емкостей вследствие ползучести соли, например, в хранилище стратегических запасов нефти в соляной шахте купола Уикс-Айленд (США), в подземном хранилище газа в районе г. Киля (ФРГ), в хранилище радиоактивных отходов Нью-Мехико, где скорость ползучести сводов и стен в 3 раза превышает проектную; деформации и аварии при затоплении выработок, оседания поверхности земли, разрывные нарушения и провалы (в Славянске, Артемовске и Березниках, где в 1986 г. произошло грандиозное обрушение над калийным рудником); деформации и аварии зданий и сооружений (в Германии вс. Эрдерборн оседания составили 536 мм за 7 лет, в г. Люнебурге скорость оседания равна 0,5−5 см/год, в г. Штассфурге из-за оседаний пострадало 600 зданий). Процессы выщелачивания соли и связанные с ними деформации сооружений хорошо изучены в ФРГ и освещены в работах [5,6].

Оседания поверхности земли имеют сложный характер, вызванный сочетанием процессов растворения и ползучести солей. Кроме того, при строительстве и эксплуатации ПХГ возникают технические проблемы строительства скважин в хемогенных отложениях (галит, бишофит).

Нарушения обсадных колонн в хемогенных отложениях отмечены при строительстве и эксплуатации скважин в Прикарпатье, Поволжье, Прикаспийской впадине, Астраханском своде, Тенгизе, Западном Казахстане, Карачаганаке и других регионах.

Специфические геоэкологические процессы при строительстве и эксплуатации ПХГ в каменной соли можно разделить условно па две группы:

основные или контролируемые, которые неизбежны на современном технологическом уровне и которые управляются соответствующими инженерными воздействиями с целью поддержания их характеристик в запроектированных параметрах;

аварийного характера, возможность которых необходимо предусмотреть, однако при качественном выполнении всех работ они не должны происходить.

К основным геоэкологическим процессам ПХГ в каменной соли относятся: конвергенция (уменьшение объема) резервуаров в каменной соли под действием горного давления; оседание поверхности земли при создании подземных выработок; сработка (понижение) напоров водоносных горизонтов, эксплуатируемых подземными водозаборами; повышение напоров горизонта захоронения рассола, формирование в нем линзы рассола.

К процессам аварийного характера относятся: загрязнение при авариях трубопроводов почв, приповерхностных грунтов, подземных вод рассолом, жидким нерастворителем (дизельным топливом); загрязнение водоносных горизонтов при перетоках высокоминерализованных вод из горизонта захоронения строительного рассола; образование техногенных залежей и распространение газа по коллекторам при перетоках газа из подземных резервуаров; смятие обсадных колонн технологических скважин в слоях бишофита (см. рисунок).

В управлении геоэкологическими процессами авторами выделяются два этапа:

— прогнозирование на этапе проектирования и принятия проектных решений;

— контроль и прогноз на этапе строительства и эксплуатации с соответствующей корректировкой инженерных решений и технологий.

Основным отличием этапов проектирования ПХГ и реализации проекта является то, что на втором этапе геоэкологические процессы могут непосредственно наблюдаться, и, следовательно, соответствующие оценки и прогнозы становятся более реалистичными.

Огромное значение для строительства и эксплуатации подземных резервуаров имеют строение и свойства пород кунгурского яруса нижней перми. Для выбора интервалов размещения резервуаров важно наличие достаточно мощного слоя галита с минимальным содержанием других солей и нерастворимых включений. Обоснование регламента создания выработок требует сведений о коэффициентах скорости растворения солей. Для расчета долговременной устойчивости резервуаров необходима информация по геомеханическим характеристикам. В результате анализа указанных параметров по лабораторным и геофизическим данным были созданы инженерно-геологические модели рабочей толщи кунгура отдельно для двух первых разведочных скважин.

Выделенные интервалы каменной соли характеризуются высокой степенью изменчивости как по геомеханическим свойствам, так и по коэффициенту скорости растворения. Так, для восьмой ритмопачки интенсивность касательных напряжений, соответствующих пределу длительной прочности, меняется в пределах 6,9−12,7 МПа, интенсивность деформаций сдвига при пределе длительной прочности — в пределах 0,07−0,13. Для каменной соли пятой и шестой ритмопачек длительная прочность меняется в пределах 10,4−13,7 МПа главным образом в зависимости от содержания ангидритовых пропластков. Интенсивность деформаций сдвига при этом составляет 0,11−0,13.

Коэффициент скорости растворения для солей восьмой ритмопачки составляет в основном 0,044- 0,048 м/ч, хотя наблюдаются прослои как с повышенной (0,053−0,062 м/ч), так и с пониженной (0,017−0,039 м/ч) растворимостью. Для пятой и шестой ритмопачек коэффициент скорости растворения меняется в пределах 0,041−0,049 м/ч, понижаясь в некоторых слоях до 0,015−0,027 м/ч.

2. Оценка взаимодействия ПХГ с геологической средой Для оценки устойчивости подземных резервуаров было проведено моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния массива горных пород. В качестве критериев устойчивости выработки использовались следующие:

• объем каждой области запредельного деформирования (ОЗД) ограничен величиной 700 м³;

• распространение ОЗД вглубь массива не превышает 4% от максимального пролета выработки;

• вся поверхность выработки не принадлежит ОЗД;

• возникающие в массиве растягивающие напряжения не превышают прочности породы на растяжение.

В результате проведенных расчетов установлено, что все указанные выше критерии соблюдаются для всех выработок при минимальных противодавлениях в резервуарах, соответствующих запроектированным (минимальное давление газа в резервуаре в конце периода отбора газа). При этом вместимость подземных выработок за весь период эксплуатации уменьшится за счет конвергеции не более чем на 5- 6%.

Уменьшение объема подземных выработок повлечет за собой оседание земной поверхности. По расчетам, проведенным по разным методикам, максимальная величина оседания в центральной части сформировавшейся мульды не превысит 0,1 м.

Практика строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин в отложениях каменной соли показывает, что разнообразные осложнения, связанные со специфическими условиями залегания и свойствами солей присутствуют на всех стадиях существования скважины. Нарушения колонн приурочены, в основном, к интервалам каверн, которые имеют особенно большие размеры при проходке отложений бишофита и карналлита. Наличие каверн создает значительные трудности в замещении бурового раствора цементным. Это приводит к неравномерному нагружению обсадной трубы и, как следствие, к возможной ее деформации. Для предотвращения этих процессов при проходке бишофитовых слоев необходимо предусматривать меры, устраняющие образование каверн и способствующие повышению прочности колонны.

Строительство и эксплуатация ВПХГ окажут мощное комплексное воздействие на гидрогеологические условия площадки ПХГ и окружающей территории: снижение напоров в эксплуатируемых андреевском водоносном горизонте и в пластах Г1, Г2 нижнего триаса; повышение напоров в водоносном горизонте Г5 нижнего триаса; формирование в горизонте Г5 линзы рассола; загрязнение грунтовых вод и верхних водоносных горизонтов при возможных разливах рассола на поверхности или авариях рассолопроводов; загрязнение рассолом горизонтов Г1 и Г2 при перетоке рассола из горизонта Г5 по затрубному пространству скважин при недостаточно качественном их строительстве; образование и распространение по пласту газовых языков у кровли водоносных горизонтов, расположенных в непосредственной близости от солевой толщи (горизонт Г5), при перетоке газа из подземных резервуаров при некачественной цементации затрубного пространства скважин.

Оценка влияния технического водозабора на напоры в горизонтах Г1 и Г2 проводилась в рамках подсчета эксплуатационных запасов. Максимальное понижение напоров подземных вод в центральных скважинах водозабора составит около 120 м. Гидродинамическое влияние водозабора распространится на значительные площади. Понижение напоров, составляющее 10% от максимального (около 12 м), произойдет на расстоянии более 60 км от водозабора к концу расчетного срока эксплуатации.

В результате расчетов повышения напоров в горизонте Г5 нижнего триаса установлено, что уже через один год закачки напоры подземных вод горизонта Г5 поднимутся на 21 м в радиусе 100 м от очага закачки. Изолиния повышения напоров (35 м), оконтуривающая зону, в которой напоры окажутся выше поверхности земли, будет располагаться от очага закачки через 10 лет на расстоянии 200 м, а через 20 лет — на расстоянии 720 м.

В процессе закачки в пласте создается искусственная залежь высокоминерализованных вод вытянутой формы длиной 5600 м, шириной 5200 м (с учетом зоны гравитационной деформации).

Повышение напоров подземных вод в пласте Г5 и снижение напоров в пластах Г1, Г2 могут создать предпосылки для перетока высокоминерализованных строительных рассолов в горизонты технического водоснабжения.

В соответствии с расчетами время, за которое рассол, проникший в горизонт технического водоснабжения через ближайшую к техническому водозабору скважину, достигнет скважин водозабора, составит около 3,5 лет. При этом минерализация откачиваемой воды возрастет к моменту окончания строительства до 12,5 г/л, что существенно не отразится на технологическом процессе строительства резервуаров.

При эксплуатации ПХГ нельзя полностью исключать возможность утечек газа из подземного резервуара вследствие некачественного цементирования технологических скважин и негерметичности резьбовых соединений. При этом газ может попадать в вышележащие коллекторы и распространяться по ним в виде «языков» небольшой (около 20−50 см) мощности, примыкая к непроницаемой кровле коллектора. Проведенные оценочные расчеты распространения газа для условий ВПХГ по методике ВНИИГаза при разных величинах утечек показали, что за 25−50 лет эксплуатации ПХГ фронт газонасыщенной зоны может продвинуться на расстояние до нескольких десятков километров.

В проекте ВПХГ первоначально в качестве нерастворителя (флюид, защищающий потолочину выработки от чрезмерного размыва) при строительстве подземных резервуаров принят жидкий нерастворитель — дизельное топливо.

При реализации данной технологии размыва при недостаточной герметичности затрубного пространства нерастворитель может перетекать в ближайший водоносный горизонт (Г5). Расчетный объем утечки из одной технологической скважины на конец ее строительства составляет 42,6 м³. Расчет зоны распространения нерастворителя по пласту Г5, проведенный в соответствии с моделью поршневого вытеснения, показывает, что предельная величина ее радиуса составляет около 25 м. Таким образом, распространение нерастворителя по пласту незначительно и не окажет существенного влияния на экологию геосреды.

В процессе создания выработок возможен аварийный выброс не растворителя (дизельное топливо) при разгерметизации устья скважины. Расчетом установлено, что при объеме максимального аварийного выброса не растворителя из скважины до 600 м³ загрязнение площади составит около 6 га. Коррозия и механические повреждения трубопроводов дизельного топлива также создают условия для утечек нерастворителя.

Аварийный выброс или другие утечки не растворителя могут служить причиной загрязнения верхних элементов геосреды. Наибольшей опасности загрязнения дизельным топливом подвергается площадка склада и станции перекачки и налива дизельного топлива. Загрязнение почв нефтепродуктами влечет за собой изменение их физических, химических и биологических свойств, что приводит к потере плодородия почв и гибели почвенной фауны. Согласно экспериментальным данным, полученным непосредственно на площади ПХГ, уменьшение содержания загрязнителя (дизельного топлива) в почвах со временем происходит очень медленно. Установлено, что за три года разрушается лишь 20- 80% от начального количества загрязнителя.

Эти соображения послужили одним из оснований замены нерастворителя на более экологически чистый — газообразный (природный газ).

Создание подземных резервуаров с использованием природного газа в качестве нерастворителя технически и технологически более сложный процесс. Тем не менее, наряду с очевидными геоэкологическими и экономическими преимуществами он позволяет значительно сократить срок строительства резервуаров до ввода их в режим работы газохранилища

Заключение

Таким образом, на примере строящегося Волгоградского подземного хранилища газа в каменной соли выявлены и оценены основные геоэкологические проблемы, характерные для подобных объектов: воздействие строительства и эксплуатации ПХГ на подземные водоносные горизонты; техногенное влияние строительства подземных резервуаров на соляную толщу и приповерхностный слой литосферы; влияние закачки промышленного рассола в поглощающие водоносные горизонты; воздействие специфических для ПХГ в каменной соли поллютантов на геологическую среду и почвенный покров. Выполненная оценка комплекса проведенных предпроектных изысканий и исследований позволяет сделать вывод, что геоэкологический мониторинг должен состоять из двух этапов: базового мониторинга — выявление и уточнение базовых (начальных) характеристик геосреды, формирование наблюдательной сети, уточнение программы следующего этапа — текущего мониторинга.

1. Игошин АЛ., К, а заря и В.А., Адонц РМ" Маркарян С. В., Саркисян Н. С. Опыт эксплуатации Ереванского ПХ // Газовая промышленность. — 1999. — № 9. — С. 48−49.

2. Сильвия Корно-Гандоль. Подземное хранение газа в странах мира // Газовая промышленность. Серия. Транспорт и подземное хранение газа. Отечественный и зарубежный опыт: Экспресс-информация. — М.: ИРЦ Газпром, 1994. — Вып. 3. — С. 18−23.

3. ТЭОВолгоградского ПХГ. — М.: ООО «Подземгазпром», 1998.

4. Синяков В. Н. и др. Геоэкологические проблемы разработки месторождений солей и создания подземных емкостей в соляных массивах// Поволжский экологический вестник. Волгоград: Комитет по печати, 1995. —Вып. 2. — С. 55−63.

5. Longer М. The role of the geological barrier in waste disposal projects. Engineering Geology and the Environment, Marines, Koukie, Tsiambaos&Stoumaras {Eds.) (c)2001 Swets&Zeitlinger, Usee, ISBN 90 5410 8819. Federal Institute for Geosciences and Natural Resources, Hannover. Germany.

6. Mlemiels E. IngenieurgeologischeBeurteilung von SubrosionserscheinungenimBereich des Stabfurt-EgelnerSattels // Z. angew. Gaol." — 1972. — V. 18, 2. — P. 580- 588.

7. Теплое МЛ., Грохотов В. А., Федчук В. И., Булгаков ДJO. Риск эксплуатации ПХ в каменной соли // Газовая промышленность. — 1999. — № 9. — С. 67.