Актуальность исследования. Интенсивное развитие газодобывающего комплекса, экологически эффективное использование природных ресурсов и, в то же время, требования законодательства по обращению и захоронению промышленных отходов и хранению жидких углеводородов определяют специфику освоения нефтегазоконденсатных месторождений на Крайнем Севере РФ. Например, при освоении одного Бованенковского НГКМ в результате бурения промысловых скважин образуется около 300 тыс. м буровых отходов, имеющих четвертый класс экологической опасности. Применяемый в настоящее время амбарный метод хранения данных отходов в условиях затопления паводковыми водами до 80% осваиваемой территории запрещен к использованию, вывоз такого объема отходов не представляется возможным, а цеха по нейтрализации буровых отходов и их закачка в глубокие поглощающие горизонты представляются экономически неэффективными. Можно сделать вывод, что используемые в настоящее время методы утилизации или нейтрализации отходов бурения не соответствуют экологическим стандартам (или соответствуют лишь частично) и применяются до сих пор исключительно ввиду отсутствия других предложений в этой области.
Помимо экологических проблем, сопутствующих утилизации отходов бурения, на северных месторождениях существует острая нехватка грунтов, пригодных для отсыпки территории под строительство объектов нефтегазового промысла. Открытая отработка песчаных и гравийных пород в криолитозоне вызывает нарушение сплошности мохового покрова, интенсифицирует опасные геокриологические процессы (солифлюкция, термокарст, эрозия и т. п.). При этом организации, занимающиеся освоением месторождений, вынуждены мириться с принятым законодательством и выплачивать существенные штрафы за нарушение существующей экосистемы.
В связи с этим предлагается создание на территориях северных месторождений подземных комплексов, позволяющих решить вопрос утилизации большого объема буровых отходов без нанесения вреда природной среде. 2.
Подземное захоронение промышленных отходов в мерзлых породах позволит исключить утечки в речную сеть химических реагентов, оставшихся в шламе после обезвоживания, и предотвратить влияние на местную флору и фауну. При заложении подземных выработок ниже слоя нулевых годовых амплитуд в криолитозоне произойдет постепенный переход буровых отходов в твердомерзлое состояние, после чего негативное влияние на окружающую среду полностью исчезнет. Более того, льдистые горные породы обладают прекрасными водоупорными характеристиками, исключающими возможность фильтрации буровых отходов в мерзлый массив. Однако, само по себе строительство подземных сооружений в областях вечной мерзлоты требует существенных финансовых вложений и может сделать нерентабельным утилизацию буровых отходов данным методом.
В настоящее время активно используется технология скважинной гидродобычи, которая позволяет разрабатывать несвязные горные породы и поднимать их на поверхность за счет гидравлической и тепловой энергии воды. В результате водотеплового разрушения пород в мерзлом массиве получаются полости, которые можно использовать для утилизации промышленных отходов. По совокупности факторов скорости разрушения породы водотепловым способом и возможности подъема оттаявшей породы на поверхность в областях вечной мерзлоты оптимальными породами, с точки зрения технологии скважинной гидродобычи, являются мерзлые пески.
Можно сделать вывод, что эффективным методом борьбы с экологическим воздействием на северную природу является захоронение отходов бурения в подземных резервуарах, созданных в мерзлых песках методом скважинной гидродобычи, с дальнейшим естественным промораживанием данных отходов. В результате строительства серии резервуаров на территориях северных нефтегазовых месторождений в качестве еще одного положительного аспекта можно отметить образование большого количества кондиционного промытого песка, идущего на строительные нужды для отсыпки дорог и кустовых площадок.
Подземное хранение применимо к арктическому дизельному топливу, газовому конденсату и продуктам его переработки, а также к прочим горючим жидким веществам, содержащимся в настоящее время в наземных емкостях. Утечка топлива или продуктов переработки газа приводит к последствиям, ущерб от которых невозможно переоценить. Подземное хранение существенно снижает риски возгорания жидких углеводородов, потери продукта при больших дыханиях за счет поддержания отрицательных температур, утечек по сравнению с наземными резервуарами, риск взрывоопасное&trade-, снижает расход метала и затраты на эксплуатацию резервуаров. Как следствие, подземное хранение жидких углеводородов существенно понижает трудои материалозатраты освоения месторождений на Севере. Недостаточная изученность процессов взаимодействия воды с мерзлым массивом при строительстве подземных резервуаров, а также отходов бурения и жидких углеводородов в процессе эксплуатации не позволяет гарантировать устойчивость подземных выработок в течение всего срока их использования. Актуальность настоящей работы определяется необходимостью обоснования тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, повышающих их длительную устойчивость, при хранении жидкостей или подземном захоронении промышленных отходов.
Цель диссертационной работы заключается в обосновании тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, обеспечивающих их длительную устойчивость при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения.
Идея работы состоит в математическом моделировании температурных полей в многолетнемерзлых породах с применением численных методов расчета при различных режимах строительства и эксплуатации подземных резервуаров.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. В процессе строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах за их контуром формируется зона пластичномерзлых грунтов, мощность которой обратно пропорциональна разнице между температурой подаваемого теплоносителя и температурой фазовых переходов в мерзлых грунтах, при этом мощность указанной зоны уменьшается с 1,0 до 0,35 м с увеличением разницы температур от 5 до 20 °C.
2. При равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания утилизируемых отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади контакта многолетнемерзлых пород с отходами в его кровлевремя замерзания буровых отходов изменяется от 55 до 165 лет при увеличении объема резервуаров от 1500 до 5000 м³.
3. Впервые установлено, что отношение вертикальной скорости промерзания утилизируемых отходов бурения в подземных резервуарах к горизонтальной пропорционально глубине заложения подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и возрастает от 3 до 10 раз с увеличением глубины их заложения с 15 до 75 м.
4. Впервые установлено, что использование подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах для хранения жидких углеводородов с положительной температурой в летний период возможно при охлаждении вмещающего массива в зимний периодпри этом необходимая температура охладителя пропорциональна квадратному корню из средней температуры воздуха в летний период и уменьшается от минус 14 до минус 48 °C с увеличением средней температуры воздуха в летний период от 8 до 18 °C.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
— использованием сертифицированных средств математического моделирования;
— сопоставимостью результатов численного расчета с результатами лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний- 5.
— положительным опытом внедрения научных результатов в области проектирования и строительства подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— впервые с помощью решения задачи Стефана численными методами проведена оценка теплового воздействия хранимых жидких углеводородов и утилизируемых отходов бурения на мерзлый массив с учетом теплообмена подземных резервуаров с земной поверхностью и изменчивостью свойств мерзлых пород по глубине;
— впервые установлена зависимость максимального размера зоны перехода грунтов из твердомерзлого в пластичномерзлое состояние в процессе строительства подземных резервуаров, при хранении жидких углеводородов и утилизации отходов бурения.
Научное значение диссертации заключается в:
— теоретическом обосновании размеров и формы подземного резервуара, сооружаемого в мерзлых грунтах, в зависимости от температуры подаваемого теплоносителя, что позволяет оценивать устойчивость резервуаров при различном строении мерзлого массива;
— установлении закономерностей движения границы промерзания буровых отходов в подземных резервуарах в зависимости от их объема, геометрии и глубины заложения;
— комплексном учете факторов, влияющих на промерзание отходов бурения в подземных резервуарах, что позволяет прогнозировать параметры теплового воздействия на вмещающие мерзлые породы и делает возможным оценку времени перехода отходов в твердое состояние;
— определении закономерностей формирования температурного режима на стенках резервуара, при котором обеспечивается сохранность его начальной формы при хранении жидких углеводородов с периодическими циклами их закачки/отбора;
— установлении эмпирической зависимости максимально возможной температуры жидких углеводородов, хранимых в подземных резервуарах в теплый период года, от их температуры в зимнее время.
Практическое значение диссертации.
Учет теплового взаимодействия подземных резервуаров между соседними выработками, вмещающими породами и объектами нефтегазового комплекса позволяет разрабатывать проектную документацию на строительство подземных резервуаров, корректировать расчет устойчивости выработок с учетом зоны теплового влияния на вмещающие породы и закладывать системы геотехнического мониторинга на основании результатов прогнозного моделирования динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров. Создана методика, позволяющая разрабатывать технологические регламенты на строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и их дальнейшую эксплуатацию при хранении жидких углеводородов и захоронении отходов бурения.
Реализация выводов и рекомендаций.
Технология сооружения подземных резервуаров была испытана и применена при создании более тридцати подземных хранилищ для захоронения буровых отходов на полуострове Ямал. Результаты исследований использовались при обосновании инвестиций для строительства резервуарного парка жидких углеводородов и разработке рабочих проектов для захоронения отходов бурения. На Мастахском газоконденсатном месторождении в республике Саха (Якутия) результаты исследований использовались при корректировке регламента на эксплуатацию подземного резервуарного парка по хранению газового конденсата.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях «Неделя Горняка» в МГГУ (2008 — 2012 гг.), технических советах ООО «Подземгазпром» (2008;2011 гг.), научных конференциях ООО «Газпром» (2010;2012 гг.), кафедре ФГПиПМГГУ (2008;2013 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 185 страницах, содержит 88 рисунков, 28 таблиц, списка использованной литературы из 72 наименований и 2 приложений.
4.4. Выводы.
Проведенные расчеты показывают, что на стадии эксплуатации подземных резервуаров, предназначенных для захоронения отходов бурения, не происходит критического нагрева вмещающего массива мерзлых песков, что может повлечь за собой потерю устойчивости выработки. По результатам данного цикла расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Замерзание отходов бурения в подземных резервуарах происходит неравномерно с расположением талой зоны в нижней части камеры. Причем время промерзания отходов бурения зависит не только от объема резервуара, но и от глубины его заложения, литологического состава грунтового разреза и геометрии выработки.
2. Минимально возможное расстояние между соседними резервуарами с сохранением ненарушенного целика мерзлых пород зависит от объемов используемых резервуаров, теплофизических свойств грунтов, слагающих массив, и начальных температур отходов бурения, сбрасываемых в резервуар и составляет от 15 м для резервуаров объемом 2000 куб. м до 25 для 5000 куб.м.
3. Расстояние между эксплуатационной скважиной и подземной выработкой должно составлять не менее 80 м, для обеспечения эксплуатационной надежности выработки.
4. Использование сезонно-охлаждающих устройств в после захоронения отходов бурения существенно сокращает время промораживания буровых отходов в 3 и более раз.
Учет теплового взаимодействия подземных резервуаров между соседними выработками, вмещающими породами и объектами нефтегазового комплекса позволяет разрабатывать проектную документацию на строительство подземных резервуаров, корректировать расчет устойчивости выработок с учетом зоны теплового влияния на вмещающие породы и закладывать системы геотехнического мониторинга на основании результатов прогнозного моделирования динамики температурного поля вблизи подземных резервуаров. Создана методика, позволяющая разрабатывать технологические регламенты на строительство подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах и их дальнейшую эксплуатацию при хранении жидких углеводородов и захоронении отходов бурения.
Анализ результатов проведенного моделирования строительства подземных резервуаров и их эксплуатации показывает, что можно в простой форме представить следующие параметры:
• Температуры грунтов вблизи обсадной колонны на этапе строительства;
• Распределение температур за контуром подземных резервуаров в процессе строительства в зависимости от объема выработки и температуры подаваемой воды;
• Время восстановления температурного режима вмещающего массива после создания подземных резервуаров;
• Необходимую температуру охладителя при известных температурах летнего периода, требуемую для захолаживания вмещающего массива при хранении жидких углеводородов;
Изменение температуры грунтов за контуром резервуара в зависимости от температуры утилизируемых отходов бурения;
• Время промерзания отходов бурения в подземных резервуарах в зависимости от их объема и глубины заложения;
• Расстояние между объектами нефтегазового комплекса и подземными резервуарами, обеспечивающими надежность их эксплуатации.
Глава 5 — Расчет экономических показателей.
При расчете экономических показателей эффективности строительства подземных резервуаров учитывалась общая стоимость захоронения буровых отходов в подземных резервуарах на Бованенковском НГКМ. Для определения общих затрат были рассмотрены следующие основные технологии: захоронение твердых отходов в наземных полигонахзахоронение жидких отходов после их очистки при закачке в поглощающую скважинуобезвоживание жидких отходов на газофакельной установкезахоронение твердых и жидких отходов после их механической подготовки закачкой в глубокие скважины с гидроразрывом пласта-коллекторазахоронение жидких и твердых отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах на глубине 20−100 м от поверхности.
По воздействию на экологию региона наименее благоприятными являются варианты захоронения твердой фазы буровых отходов в наземных полигонах и термического обезвоживания жидких отходов на газофакельной установке, так как имеет место длительное взаимодействие отходов 4 класса опасности с земной поверхностью, поверхностными водами и воздухом. Закачка в глубокие скважины жидких отходов или твердых и жидких отходов с использованием гидроразрыва пласта приводит к загрязнению подземных вод и нарушению гидрогеологической обстановки, так как, кроме изменения фильтационных свойств подземного коллектора, не исключает миграции опасных реагентов, находящихся в подвижном состоянии. Способ захоронения твердых и жидких отходов бурения в подземных резервуарах, создаваемых в многолетнемерзлых породах, с учетом непроницаемости мерзлых пород обеспечивает наибольшую изоляцию отходов от окружающей природной среды. Кроме этого, температура замерзания буровых отходов составляет около минус 1,5 °С, что, при температуре вмещающих многолетнемерзлых пород около минус 4 — минус 5 °C, будет приводить к.
137 постепенному переходу жидких отходов бурения в твердомерзлое состояние. Таким образом, с точки зрения обеспечения экологической безопасности, вариант захоронения отходов бурения в подземные резервуары, создаваемых в многолетнемерзлых породах, является наиболее предпочтительным.
Для сравнения экономических затрат были рассчитаны варианты по следующим технологическим схемам (рис. 5.1):
1. Технологическая схема с закачкой сточных вод в поглощающие горизонты.
1.1 а) Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он захораниваетсяб) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в иех на установку утилизации и далее закачивается в поглощающие скважины.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его разравнивания в специально обустроенных картах, также стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость поглощающей скважины и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку буровых отходов и продуктов утилизации.
1.2 а) Буровой шлам от буровой установки вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он отверждаетсяб) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в иех на установку утилизации, далее закачивается в поглощающие скважины.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона (меньшего размера, чем в варианте 1.1) и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его перемещения. Там же на полигоне ставится установка отверждения шлама (в отапливаемом помещении) с целью его дальнейшего использования на отсыпку площадок и дорог.
Способы обращения (изоляция, захоронение, утилизация) с буровыми отходами на Бованенковском НГКМ.
Способы обращения с буровыми отходами I.
Закачка жидкой фазы отходов в поглощающие горизонты.
Термическое обезвреживание жидкой фазы отходов.
А.
Буровой шлам захоранивается в карьере № 3.
Жидкая фаза отходов тра н спо рти руется в цех на установку утилизации ОБР на ПББ, далее закачивается в поглощающие скважины.
Жидкая фаза отходов транспортируется в цех на установку утилизации ОБР на ПББ, далее термически обезвреживают наГФУГП-2.
Буровой шлам отверждается в карьере № 3.
Захоронениев подземные резервуары (ООО «Подзем Газпром»).
Отходы бурения (буровой шлам и жидкая фаза) захораниваются на каждой кустовой площадке.
Отходы бурения (буровой шлам и жидкая фаза) захораниваются на централизованном полигоне.
Совместная закачка отходов бурения в глубокие горизонты с гидроразрывом пласта.
О4.
Отходы бурения (буровой шлам и жидкая фаза) закачиваются в скважину на централизованном полигоне в районе пбб.
Рис. 5.1 — Возможные варианты утилизации буровых отходов на Бованенковском НГКМ.
Кроме того, учтена стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость поглощающей скважины и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку буровых отходов и продуктов утилизации.
2. Технологическая схема с термическим обезвреживанием сточных вод:
2.1 а) Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер. где он захораниваетсяб) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в цех на установку утилизации, далее термически обезвреживается на газофакельной установке.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его разравнивания в специально обустроенных картах, также стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, газофакельная установка и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку отходов бурения и продуктов утилизации.
2.2 а) Буровой шлам из-под вибросит вывозится на полигон буровых отходов в карьер, где он отверждаетсяб) Жидкая фаза отходов бурения транспортируется в цех на установку утилизации. далее термически обезвреживается на газофакельной установке.
В капитальные затраты включена стоимость обустройства полигона (меньшего размера, чем в варианте 1.1) и оборудования необходимого для выгрузки, размораживания шлама на полигоне и его перемещения. Там же на полигоне ставится установка отверждения шлама (в отапливаемом помещении) с целью его дальнейшего использования на отсыпку площадок и дорог. Кроме того, учтена стоимость цеха утилизации отработанных буровых растворов, с набором необходимого оборудования, стоимость газофакельной установки и стоимость подвижного состава, осуществляющего транспортировку отходов и продуктов утилизации.
3. Технология ООО «Подземгазпром «.
3.1 Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захораниваются в подземные резервуары на каждой кустовой площадке.
В капитальные затраты включена стоимость бурения скважин до 100 м глубины, монтаж, оборудование и техника для строительства и стоимость их эксплуатации, стоимость контейнеров для сбора шлама на кустовых площадках и стоимость инженерного обеспечения.
3.2 Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захоранивается на централизованном полигоне подземного захоронения отходов бурения.
В капитальные затраты включена стоимость бурения скважин до 100 м глубины, монтаж, оборудование и техника для строительства и стоимость их эксплуатации, стоимость контейнеров для сбора шлама на кустовых площадках и стоимость инженерного обеспечения.
4. Технология совместной закачки отходов бурения в глубокие горизонты под давлением методом гидроразрыва пласта. Отходы бурения (буровой шлам + жидкая фаза отходов бурения) захораниваются на иентрализованном полигоне подземного захоронения отходов бурения.
В капитальные затраты включена стоимость отапливаемого помещения для размещения установки по закачке отходов под давлением, стоимость резервуаров для приема бурового шлама и жидких отходов бурения, стоимость поглощающей скважины, автомобилей для доставки отходов бурения от кустовых площадок до установки закачки, техники для перегрузки отходов из контейнеров на установку закачки, подстанции водозаборной для технологических нужд.
Для расчётов были приняты исходные данные, приведенные в таблице 5.1.
В качестве методической основы, определения экономических показателей утилизации отработанных буровых растворов приняты «Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования» (вторая редакция), утвержденные Госстроем России, Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Госкомпромом России, № ВК 477 от 21 июня 1999 года. Расчёты произведены по каждому году в целом за 3-х летний период утилизации в ценах, действующих на 01.01.2007 г. Расчет экономического эффекта произведён в динамике по годам за 3 летний период эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию тепловых режимов строительства и эксплуатации подземных резервуаров в многолетнемерзлых породах, позволяющее сохранять в устойчивом состоянии резервуары в мерзлом массиве в течение длительного времени при хранении жидких углеводородов или утилизации отходов бурения, что имеет важное народно-хозяйственное значение для районов распространения многолетнемерзлых пород.
Основные научные результаты и практические выводы диссертационной работы, полученные автором, заключаются в следующем:
1. Тепловое воздействия на мерзлые породы вблизи стенок подземных резервуаров влияет на их устойчивость за счет изменения прочностных и деформационных свойств мерзлых пород, при этом на этапе сооружения мощность пластичного песчаного слоя за стенкой резервуара обратно пропорциональна температуре внутри подземного резервуара. Вблизи обсадной колонны не происходит перехода мерзлых грунтов в пластичномерзлое состояние при соблюдении технологии строительства, при этом естественное поле температур вблизи обсадной колонны подземного резервуара восстанавливается в течение нескольких суток.
2. На стадии сооружения подземного резервуара при соблюдении рационального теплового режима подаваемое в резервуар тепло идет только на.
145 оттаивание мерзлых песков и не проходит вглубь массива, вследствие чего не происходит увеличение температуры мерзлых грунтов, и пески не переходят в пластичномерзлое состояние, что обеспечивает сохранение устойчивости выработки в процессе строительства. В процессе создания резервуаров скорость движения границы области повышенной естественной температуры в массив мерзлых грунтов сопоставима с линейной скоростью оттаивания стенки.
3. Показано, что при равных объемах подземных резервуаров на стадии их эксплуатации время замерзания отходов бурения возрастает пропорционально глубине заложения резервуара и зависит от площади смоченной поверхности в кровле подземного резервуара.
4. Показано, что скорость промерзания отходов в подземных резервуарах различна по вертикали и горизонтали и зависит от глубины их заложения. При этом в естественных условиях отношение вертикальной скорости промерзания к горизонтальной обратно пропорционально глубине заложения подземных резервуаров и возрастает от 5 до 10 раз с увеличением глубины заложения с 15 до 75 м.
5. Промерзание отходов бурения в подземных резервуарах происходит неравномерно с возможным образованием талого ядра в нижней части камеры. Причем время промерзания отходов бурения зависит не только от объема резервуара, но и от глубины его заложения, литологического состава грунтового разреза и геометрии выработки.
6. Сохранение мерзлого состояния вмещающего массива зависит от объемов используемых резервуаров, теплофизических свойств пород, слагающих массив, и начальных температур утилизируемых отходов бурения, при этом для обеспечения эксплуатационной надежности расстояние между эксплуатационной скважиной и резервуаром должно составлять не менее 44 м для эксплуатационных скважин с теплоизоляциейдля скважин без теплоизоляции — 80 м.
7. Установлена эмпирическая зависимость, показывающая, что на стадии эксплуатации подземных резервуаров при цикличном режиме заполнения жидкими углеводородами и их отборе необходимая температура, до которой требуется охлаждение жидких отходов в зимнее время, составляет: тохя = ф 944 -103- Твозд — 48.
Результаты, полученные в настоящей работе, учтены при разработке проектов геотехнического мониторинга подземного склада ГСМ на территории Бованенковского НГКМ и в рабочих проектах по проектированию сериилтодземных резервуаров для захоронения отходов бурения общим объемом до 300 тыс. м3. В настоящее время на основании проведенных исследований создается программный продукт, моделирующий размыв подземного резервуара в мерзлых породах различного генезиса и структуры.
